FR3142596A1 - Fil Supraconducteur composé de métaux de base et d’un non métal tels que par exemple le Dysprosium, le Néodyme, l’Etain, le Sélénium, et des composés additifs éventuels, utilisé à température ambiante et à pression ambiante, et son procédé de fabrication. - Google Patents

Fil Supraconducteur composé de métaux de base et d’un non métal tels que par exemple le Dysprosium, le Néodyme, l’Etain, le Sélénium, et des composés additifs éventuels, utilisé à température ambiante et à pression ambiante, et son procédé de fabrication. Download PDF

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Abstract

La présente invention a pour objet un fil supraconducteur composé de métaux de base et d’un non métal tels que par exemple le Dysprosium, le Néodyme, l’Etain, le Sélénium, et des composés additifs éventuels, utilisé à température ambiante et à pression ambiante, et son procédé de fabrication.

Description

Fil Supraconducteur composé de métaux de base et d’un non métal utilisé à haute température critique et son procédé de fabrication.
L'invention a pour objet un fil supraconducteur composé de métaux de base et d’un non métal tels que par exemple le Dysprosium, le Néodyme, l’Etain, le Sélénium, et des composés additifs éventuels, utilisé à température ambiante et à pression ambiante, et son procédé de fabrication. Plus précisément, elle concerne la réalisation d'éléments supraconducteurs de forme allongée, tels que des fils, des rubans des câbles qui sont capables de conduire un courant électrique d’intensité élevée dans le sens de la longueur du fil. Les fils supraconducteurs peuvent être utilisés dans plusieurs applications telles que l’électronique, l’aéronautique, l’énergie, le transport, la médecine.
Etat de l’art :
Les matériaux supraconducteurs tels que les oxydes mixtes de cuivre du type de celui découvert par Bednorz et Müller en 1986 peuvent fonctionner à des températures supérieures à celles de l'hélium liquide, en particulier au-dessus de la température de l'azote liquide, car leur température critique Tc est beaucoup plus élevée. Pour la famille du type TlBaCaCuO, Tc est comprise entre 80 et 125K. Ce qui est très avantageux en raison du coût de l'azote liquide. Cependant, la réalisation d'éléments supraconducteurs tels que des filaments, des rubans, des bandes, ou des câbles à partir de ces matériaux supraconducteurs de type céramique pose certains problèmes pour obtenir de forts courants critiques ou réaliser un conducteur raisonnablement flexible et assurer la tenue mécanique et chimique des fils supraconducteurs.
En effet, les éléments conducteurs actuels réalisés à partir des matériaux supraconducteurs céramique tels que YBaCuO, sont formés de grains frittés et les propriétés de transport de ces conducteurs sont celles du fritté massif. Il est donc difficile d'obtenir des fils flexibles à partir de ces matériaux céramique car après frittage la céramique obtenue est fragile. Il est à noter également que l'augmentation du courant critique demande d'éliminer les impuretés au niveau du joint de grain. De plus, l'un des facteurs responsable de l'abaissement de la densité critique réside dans l'anisotropie du matériau par rapport au plan de base et dans le plan de base. C’est le cas dans YbaCuO avec des grains orientés au hasard. Les plans CuO₂ de forte conductibilité sont désalignés et une partie du courant doit transiter selon l'axe de basse conductibilité électrique pour passer d'un cristal à un autre.
Le brevet EP3951806 expose un fil supraconducteur essentiellement à base d’oxyde et un profil en long stratifié pour constituer le fil supraconducteur qui est donc dans cet état jusqu’à une température proche de l’azote liquide.
Le brevet EP2728592 expose un fil supraconducteur qui présente le même profil en long stratifié que le brevet EP3951806 et à base d’oxyde, qui est donc dans cet état jusqu’à une température proche de l’azote liquide.
Le brevet WO202105409 expose un commutateur à courant à base d’oxyde, de type YBACuO, qui est donc dans cet état jusqu’à une température proche de l’azote liquide.
Le brevet US2019379145 expose un fil supraconducteur essentiellement à base d’oxyde et un profil en long stratifié pour constituer le fil supraconducteur qui est donc dans cet état jusqu’à une température proche de l’azote liquide.
Il est donc utile de préciser qu’aucun des procédés connus actuellement ne permet l'obtention d'éléments supraconducteurs de forme allongée, présentant de fortes densités de courant critique et de bonnes propriétés mécaniques et chimiques à pression ambiante et à température ambiante.
Par ailleurs, il existe de nombreux ouvrages concernant la supraconductivité et beaucoup de publications tant théoriques que pratiques (US, JP, FR, RU, CN). Il est possible de citer par exemple le livre d’Alexender Gabovitch Superconductors – New Developments qui présente quelques articles d’intérêt général.
Le phénomène de la supraconductivité a été découvert en 1911 par le physicien hollandais Heike Kamerlingh Onnes qui a montré qu’aux très basses températures, quelques Kelvins, certains métaux changent de propriétés physiques. En particulier la résistance électrique de ces matériaux devient inférieure à toute valeur mesurable. Ainsi un courant électrique continu peut circuler sans dissipation d'énergie, donc quasi indéfiniment.
Il y a une transition de l'état normal de conducteur vers l'état supraconducteur. Cette transition intervient à une température qualifiée de température critique. En 1933, W. Meissner et R. Ochsenfeld observent qu’hormis les qualités exceptionnelles de conduction, ces métaux possèdent la propriété d’exclure toute pénétration d’un champ magnétique extérieur grâce à la circulation de super-courants dans le supraconducteur. Cet effet de non-pénétration du champ magnétique est nommé effet Meissner.
Une théorie microscopique a été émise en 1957 par John Bardeen, Leon N. Cooper et John Schrieffer (tous trois prix Nobel de physique en 1972) pour expliquer la supraconductivité. Cette théorie explique qu'à très basse température, les électrons s'apparient (paire de Cooper) par l’intermédiaire des phonons du réseau.
L’explication théorique de la supraconductivité à très basse température repose sur le fait que les paires de Cooper, constituées de deux électrons, forment en définitive des bosons qui, eux, peuvent se trouver en grand nombre dans le même état physique, en l'occurrence dans un état de plus basse énergie. Ils ne perdent pas d'énergie par dissipation, et se propagent donc sans résistance.
La découverte en 1986 par Johannes Georg Bednorz et Karl Alexander Müller de la supraconductivité dans un oxyde synthétique de cuivre, lanthane et baryum à une température critique de 35 K, plus élevée que toutes celles connues jusqu'alors, a eu un retentissement considérable. Cette découverte relance alors la recherche dans ce domaine, et permet la mise en évidence de ce phénomène jusqu’à 164 K, en 1998.
Cependant, à ce jour, il n’y a pas de théorie complète pour expliquer le phénomène supraconducteur.
Il est d’usage de qualifier l’état non dissipatif par trois grandeurs principales : la température critique, Tc , le champ critique Hc et la densité de courant critique. L’état de supraconductivité caractérise la plupart des métaux à condition que la température soit très proche de 0 K. La température en dessous de laquelle un matériau devient supraconducteur est alors nommé température critique. La supraconductivité est obtenue aux températures Tc plus élevées pour les métaux mauvais conducteurs dans l’état normal, comme le mercure et le plomb. La température a une influence importante sur les autres caractéristiques d’un matériau supraconducteur comme le champ magnétique, la résistivité ou la profondeur de pénétration. Par ailleurs, l’état supraconducteur peut disparaître pour un champ magnétique extérieur d’une certaine intensité Hc dépendant de la température.
Les supraconducteurs se divisent en deux catégories : type I et type II. Les supraconducteur de type I sont caractérisés par le fait que l’effet Meissner (les lignes de champ magnétique sont expulsées du matériau sauf sur une très fine épaisseur) s’arrête brusquement à partir de Hc. Pour les supraconducteurs de type II, le diamagnétisme parfait disparaît progressivement à partir d’une valeur de champ magnétique Hc1 et la disparition totale du diamagnétisme est produite pour un champ Hc2.
Les supraconducteurs de type II sont constitués généralement d’alliages (Nb-Zr, Nb-Ti), et de métaux de transition avec une résistivité grande à l’état normal. Pour des valeurs de champ comprises entre Hc1 et Hc2 ces matériaux présentent des zones à l’état normal, dans lesquelles l’induction magnétique est non nulle. Ces zones (dont la surface approximative est calculée à partir de la longueur de cohérence des paires de Cooper) sont des sortes de domaines et sont entourés de courants induits, dénommées tourbillons ou vortex séparées par des zones supraconductrices dans lesquelles B = 0 et où se referment les lignes de courants tourbillonnaires.
La densité de courant critique correspond à la valeur maximale au delà de laquelle un champ électrique apparaît. Pour les supraconducteurs de type I, la répartition du courant n’est pas homogène. Le courant de transport circule uniquement à la surface, dans l’épaisseur de pénétration de London. Pour les supraconducteurs de type II la densité de courant critique est fortement dépendante de l’induction B donc de la présence de vortex dans la structure du matériau. Pour une induction transverse, dans l’état mixte, un supraconducteur idéal présente une densité de courant nulle. Le courant de transport réagit avec les vortex et ceux-ci se déplacent lorsque la force de Lorentz est supérieure aux forces d’ancrage, entraînant une dissipation dans le matériau. Lorsque la densité de courant dépasse une valeur critique Jc les vortex sont arrachés.
La présente invention est nouvelle et inventive.
La présente invention a pour objet un fil supraconducteur de forme allongée tel que, une bande, un ruban ou un câble qui présente des propriétés améliorées, composé de métaux de base et d’un non métal tels que par exemple le Dysprosium, le Néodyme, l’Etain, le Sélénium, et des composés additifs éventuels, utilisé à température ambiante et à pression ambiante, et son procédé de fabrication.
La présente invention apparaîtra mieux à la lecture des figures.
La est une vue en 3D stylisée de la structure cristalline de base de l'invention.
La est une vue en long stylisée de la structure cristalline de base de l'invention.
La est une vue en long d’un fil suivant un mode de réalisation de l'invention.
La est une vue en coupe d’un fil suivant un mode de réalisation de l'invention.
La est une vue en coupe d’un câble suivant un mode de réalisation de l'invention.
La est une vue en long d’un câble suivant un mode de réalisation de l'invention.
La est une vue stylisée suivant un autre mode de réalisation de l'invention.
La est une vue stylisée suivant un autre mode de réalisation de l'invention.
La est une vue en coupe d’un fil suivant un autre mode de réalisation de l'invention.
Description de l’invention :
La présente invention a pour objet un fil supraconducteur de forme allongée tel que un fil, une bande, un ruban ou un câble qui présente des propriétés améliorées, composé de métaux de base et d’un non métal tels que par exemple le Dysprosium, le Néodyme, l’Etain, le Sélénium, et des composés additifs éventuels, utilisé à température ambiante et à pression ambiante, et son procédé de fabrication.
Il est présenté ci-dessous un argumentaire du choix des métaux et du non métal des constituants de la partie supraconductrice du fil supraconducteur, pour éviter d’utiliser le cuivre Cu et/ou l’oxygène O (les oxydes).
Le fil supraconducteur est représenté de manière théorique par un Hamiltonien.
Cet Hamiltonien peut présenter un terme d’énergie cinétique, un terme d’énergie libre, un terme de potentiel périodique, un terme de couplage spin-orbite, un terme de couplage spin-spin, un terme de couplage spins-bosons, un terme d’interaction électromagnétique.
De plus dans une structure cristalline (un échantillon), pour ce qui concerne un électron de la bande de conduction, celui-ci a un moment angulaire total J égal à 1/2. La dimension selon l’axe de propagation (z) est généralement plus grand que celui des dimensions dans le plan (x, y) de l'échantillon considéré. C’est cet axe qui est pris en considération pour le moment angulaire de l'électron. L'électron de charge négative peut avoir deux états possibles; un état de spin -1/2 représenté par |↓>z ou un état de spin +1/2 noté |↑>z . De même, le moment angulaire d’un trou selon l'axe z Jz =-3/2 est noté par son état de spin |⇓>z ou un moment angulaire Jz=+3/2 avec un état de spin noté |⇑>z.
Par ailleurs, les photons sont des particules bosoniques ayant un spin entier. Les photons polarisés circulairement à gauche |L> ou les photons polarisés circulairement à droite |R> ont une projection du moment angulaire égale à −1 ou +1, respectivement. Ainsi, quand un photon polarisé circulairement est absorbé par une transition du système, le moment angulaire doit être conservé par le système.
La conservation du moment angulaire entraîne que seules les configurations de spins opposées sont autorisées ( |↑⇓>z ou |↓⇑>z ). Dans le cas où les spins du trou et de l'électron sont dans la même direction, le moment cinétique total des deux états de spin sera égal à ±2 . Dans l'approximation dipolaire électrique, la lumière ne peut exciter ces transitions appelées états noirs (|↑⇑>z ou |↓⇓>z ). Les états brillants correspondent à des états de spin antiparallèles ( |↑⇓>z ou |↓⇑>z ) qui interagissent avec la polarisation circulaire ( |L>, |R> ).
De plus, la description électromagnétique dans la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur peut être approchée par une cavité. La cavité est caractérisée par son champ électromagnétique à l’intérieur de celle-ci. Il est possible de décrire quantiquement ce champ en le décomposant en modes. Chaque mode évolue comme un oscillateur harmonique de fréquence ωmode.
En ne considérant que le mode fondamental de la cavité de fréquence ωc l'hamiltonien de la cavité s'écrit : Ĥcav = ωcâ†â. Dans lequel â (respectivement â†) est l'opérateur associé à l'annihilation (respectivement création) d'un photon dans le mode fondamental. L'état fondamental de cet hamiltonien, appelé aussi état vide |0>, correspond à une cavité vide sans photon. L'état |1> correspond à un photon à l'intérieur de la cavité, |2> correspond à deux photons et ainsi de suite.
En considérant la cavité initialement dans l'état |0> , l'état d'énergie supérieure |1> est obtenu en appliquant l'opérateur création â†. La transformation de l'état |1> vers l'état |0> est obtenu en appliquant l'opérateur â.
Dans le cas d’une excitation résonnante, le champ considéré comme incident interagit avec le mode fondamental de la cavité. Le champ électromagnétique incident décrit par l'opérateur ĉin va se coupler avec le mode fondamental de la cavité et cet opérateur est proportionnel à l'opérateur champ électrique Êin qui est généralement normalisé pour que la quantité <ĉ†in ĉin > soit égale au nombre de photons incidents par unité de temps. Le champ considéré comme sortant après interaction avec la cavité est décrit par l'opérateur ĉout également normalisé pour que la quantité <ĉ†out ĉout > soit égale au nombre de photons émis par unité de temps.
De plus, d’après le principe d'exclusion de Pauli et en fonction de la conservation du moment angulaire, pour générer électromagnétiquement un électron avec un état |↓⇑>z il faut créer une paire électron-trou d'état
|↓⇑>z . Pour que le moment angulaire soit conservé, le photon incident doit avoir un état de polarisation |R> et on en déduit donc que la transition |↑>z vers |↑↓⇑>z n'est excitable que par la polarisation circulaire |R>. Il en est de même, pour la transition |↓>z vers |↓↑⇓>z qui n'est excitable que par la polarisation circulaire
|L>. Ces règles de sélection sont également valables pour un trou confiné.
Par ailleurs, compte tenu des distances entre chaque atome de la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur, soit de quelques angströms à quelques nanomètres, l’effet tunnel est possible entre les différents métaux / ou alliages et la longueur de cohérence pour une paire de Cooper est proche de 1 nm. Il en est de même pour le confinement du champ électromagnétique à l’intérieur de la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur.
Les constituants de la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur, de préférence Dy∈ Ndσ Snλ Seδ (∈, σ, λ, δ : positifs ou nuls), et des composés additifs éventuels, sont choisis pour que leur masse atomique soit élevée pour adapter l’interaction des phonons dans la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur, notamment à haute température critique.
Les constituants de la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur, de préférence Dy∈ Ndσ Snλ Seδ (∈, σ, λ, δ : positifs ou nuls), et des composés additifs éventuels, sont choisis pour leurs fonctions d’onde antisymétriques avec des couches p et f disponibles pour favoriser les états triplets (7-uplets) de la fonction d’onde dans la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur.
Les constituants de la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur, de préférence Dy∈ Ndσ Snλ Seδ (∈, σ, λ, δ : positifs ou nuls), et des composés additifs éventuels, sont choisis pour leurs spins entiers de noyaux.
Fe, SC, Y, La, Ce, Pr, Sm, Gd, Tb, Ho, Er, Tm, Yb, Lu peuvent également être associés dans certaines compositions d’alliages en prenant garde à la valeur du spin du noyau, de la masse atomique et aux fonctions d’onde antisymétriques.
La partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur peut répondre à la formule constitutive suivante : M1∈ M2σ M3λ NM δ (∈, σ, λ, δ : positifs ou nuls) dans laquelle M¹ M² M3représentent chacun un métal tel que par exemple Dy, Nd, Sn et NM représente un non métal tel que par exemple Se et des composés additifs éventuels. Les coefficients ∈, σ, λ, δ : positifs ou nuls, permettent de faire différents dosages et/ou alliages avec des composés additifs éventuels.
La partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur a une structure cristalline (topologie de base sous forme de plans 2D) qui peut favoriser le transport d’électrons et de trous dans plusieurs plans (la densité d’états dépend linéairement de l’énergie).
La partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur a une structure cristalline (topologie de base sous forme de plans 2D) qui permet de favoriser les états triplets (7-uplets) de spins (alignements parallèles ou antiparallèles).
Les constituants métalliques (les métaux) utilisés dans la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur sont choisi parmi les métaux ou alliages pour lesquels le confinement électromagnétique est le plus élevé pour favoriser les interactions avec les paires de Cooper.
Les constituants métalliques (les métaux) utilisés dans la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur sont choisi parmi les métaux ou alliages pour lesquels la longueur de cohérence entre les électrons permet la formation de paires de Cooper.
Les constituants métalliques (les métaux) utilisés dans la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur sont choisi parmi les métaux ou alliages pour favoriser le confinement électromagnétique.
Les constituants métalliques (les métaux) utilisés dans la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur sont choisi parmi les métaux ou alliages pour favoriser la formation des paires de Cooper.
Les constituants métalliques (les métaux) utilisés dans la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur sont choisi parmi les métaux ou alliages pour favoriser la tenue mécanique et chimique, la densité de courant élevée, la tenue en température.
Le constituant non métal utilisé dans la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur permet de favoriser la formation de paires de Cooper.
Le constituant non métal utilisé dans la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur permet de favoriser le confinement électromagnétique.
Le constituant non métal utilisé dans la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur est choisi pour favoriser la la tenue mécanique et chimique, la densité de courant élevée, la tenue en température.
La partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur de forme allongée permet de conduire un courant électrique selon une direction principale correspondant à la longueur de l'élément.
La partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur peut comprendre un support ou une gaine métallique qui constitue un circuit de conduction parallèle à celui du fil supraconducteur pour transporter le courant en cas de perte locale de la supraconductivité.
La partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur formée d'une seule rangée ou de plusieurs rangées juxtaposées sous forme de toron, notamment pour un câble, peut être entouré par une enveloppe externe assurant une protection électrique, mécanique et chimique. Cette enveloppe peut être réalisée en métal, par exemple en les mêmes métaux et alliages que précédemment, ou bien utiliser une enveloppe non métallique dont le rôle sera limité à la protection mécanique et chimique de l'ensemble, par exemple une enveloppe en résine synthétique.
La partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur est constituée de cristaux. Ceux ci peuvent être obtenu par des procédés classiques faisant appel à des techniques de croissance cristalline telle que la transformation solide-solide, la croissance par fusion, la croissance en solution par fondant, la croissance en phase vapeur par évaporation thermique, bombardement électronique ou ablation au laser, la croissance en phase vapeur par les procédés de dépôt chimique en phase vapeur. Il est également possible d’utiliser des techniques de fabrication classique de monocristaux telles que la fusion de zone ou d'épitaxie. La croissance de ces cristaux fait qu'ils peuvent se développer sous forme d'aiguilles ou de lamelles allongées.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le fil supraconducteur (1000) est stratifié.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le fil supraconducteur (1000) est cylindrique.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), l'épaisseur des joints métalliques de la partie / la couche supraconductrice du fil supraconducteur est comprise entre 1 et 1000 nm.
Selon un mode de réalisation, le fil supraconducteur (1000) a une largueur comprise entre 0.6 de 0.8 µm.
Selon un mode de réalisation, le fil supraconducteur (1000) a une hauteur comprise entre 0.8 de 1.2 µm.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le fil supraconducteur (1000) comprend a minima, un premier substrat (1101) formé d'un matériau conducteur, une première couche intermédiaire (1102) disposée sur le premier substrat, et formée d'un matériau conducteur, une couche supraconductrice (1103), une deuxième couche intermédiaire (1104) disposée sur la couche supraconductrice et formée d'un matériau conducteur, un deuxième substrat (1105) formé d'un matériau conducteur disposée sur la deuxième couche intermédiaire, une couche protectrice (1300). Cet empilement permet entre autre de limiter les contraintes de dilatation thermique, de favoriser la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant élevée, le confinement électromagnétique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le fil supraconducteur (1000) comprend a minima, une couche (1101) formée d'un matériau conducteur, une couche intermédiaire (1102) formée d'un matériau conducteur, une couche supraconductrice (1103), une couche protectrice (1300). Cet assemblage permet entre autre de limiter les contraintes de dilatation thermique, de favoriser la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant élevée, le confinement électromagnétique. Dans cette configuration, les couches ont une forme cylindrique.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), le premier substrat (1101) a une hauteur moyenne de 100 nm.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), la couche (1101) a une épaisseur moyenne de 100 nm.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), la première couche intermédiaire (1102) a une hauteur moyenne de 100 nm.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), la couche intermédiaire (1102) a une épaisseur moyenne de 100 nm.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), la couche supraconductrice (1103) a une hauteur moyenne de 400 nm.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), la couche supraconductrice (1103) a un diamètre moyen de 400 nm.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), la deuxième couche intermédiaire (1104) a une hauteur moyenne de 100 nm.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), le deuxième substrat (1105) a une hauteur moyenne de 100 nm.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), le premier substrat / la couche (1101) permet d’augmenter la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), la première / la couche intermédiaire (1102) permet d’augmenter la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant, et de faciliter le confinement électromagnétique et la supraconductivité dans la couche supraconductrice (1103).
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), la couche supraconductrice (1103) permet d’augmenter la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant, et facilite le confinement électromagnétique et la supraconductivité.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), la deuxième couche intermédiaire (1104) permet d’augmenter la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant, et de faciliter le confinement électromagnétique et la supraconductivité dans la couche supraconductrice (1103).
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), le deuxième substrat (1105) permet d’augmenter la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), la couche de protection (1300) a une épaisseur moyenne de 200 nm.
Selon un mode de réalisation du fil supraconducteur (1000), la couche de protection (1300) permet d’augmenter la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier substrat (1101) est réalisé en un matériau conducteur. Le premier substrat comporte une couche de base et une couche conductrice. La couche de base et la couche conductrice sont réalisées en un matériau conducteur. La résistivité de la couche conductrice est inférieure à la résistivité de la couche de base. La couche conductrice est disposée sur la couche de base. La couche de base est réalisée par exemple en acier inoxydable. La couche conductrice est constituée, par exemple d'un alliage métallique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche (1101) est réalisé en un matériau conducteur. La couche comporte une couche de base et une couche conductrice. La couche de base et la couche conductrice sont réalisées en un matériau conducteur. La résistivité de la couche conductrice est inférieure à la résistivité de la couche de base. La couche conductrice est disposée sur la couche de base. La couche de base est réalisée par exemple en acier inoxydable. La couche conductrice est constituée, par exemple d'un alliage métallique. La couche (1101) est disposée sur la couche intermédiaire (1102).
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première couche intermédiaire (1102) est disposée sur le premier substrat (1101). Plus précisément, la première couche intermédiaire est disposée sur la première couche conductrice. La première couche intermédiaire est réalisée en un matériau conducteur. La première couche intermédiaire est réalisée par exemple en titanate de strontium (SrTiO3) dopé au niobium (Nb).
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche intermédiaire (1102) est disposée sur la couche supraconductrice (1103). La couche intermédiaire est réalisée en un matériau conducteur. La couche intermédiaire est réalisée par exemple en titanate de strontium (SrTiO3) dopé au niobium (Nb).
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche supraconductrice (1103) est constituée d'un supraconducteur. La couche supraconductrice est constituée de Dysprosium (Dy), Néodyme (Nd), Etain (Sn), Sélénium (Se) telle que la formule de base soit Dy∈, Ndσ, Snλ, Seδ (∈, σ, λ, δ : positifs ou nuls) et des composés additifs éventuels. Les coefficients ∈, σ, λ, δ : positifs ou nuls, permettent de faire différents dosages et/ou alliages avec des composés additifs éventuels.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche supraconductrice du fil supraconducteur (1103) est disposée sur la première couche intermédiaire (1102).
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche supraconductrice du fil supraconducteur (1103) est disposée sous la couche intermédiaire (1102).
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la deuxième couche intermédiaire (1104) est disposée sur la couche supraconductrice (1103). La deuxième couche intermédiaire est réalisée en un matériau conducteur. La deuxième couche intermédiaire est réalisée par exemple en titanate de strontium (SrTiO3) dopé au niobium (Nb).
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le deuxième substrat (1105) est réalisé en un matériau conducteur. Le deuxième substrat comporte une couche conductrice et une couche de base. La couche conductrice et la couche de base sont réalisées en un matériau conducteur. La résistivité de la couche conductrice est inférieure à la résistivité de la couche de base. La couche de base est disposée sur la couche conductrice. La couche de base est réalisée par exemple en acier inoxydable. La couche conductrice est disposée sur la deuxième couche intermédiaire (1104). La couche conductrice est constituée, par exemple d'un alliage métallique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche de protection (1300) est agencée de manière à entourer la périphérie des couches décrites, pour protéger le fil supraconducteur. Plus précisément, la couche de protection est formée sur la surface extérieure de l’ensemble des couches. La couche de protection est réalisée en un matériau conducteur. La couche de protection est constituée, par exemple, d'argent ou d'un alliage d'argent. L'épaisseur de la couche de protection est de préférence égale ou inférieure à 200 nm.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le câble supraconducteur (2000) comprend plusieurs fils supraconducteurs (1000) toronnés. Chaque fil supraconducteur est enroulé en spirale autour de l'axe central d’un gabarit qui peut être par exemple un câble composé d’aluminium ou d’un alliage. La valeur minimale du rayon de courbure de chaque fil supraconducteur est de 20 mm ou moins.
Procédé de fabrication :
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé de fabrication intègre des procédés de dépôt chimique en phase vapeur, de dépôt de couche atomique, d'évaporation par faisceau d'électrons et/ou de pulvérisation magnétron. La substance supraconductrice est constituée de cristaux. Ceux ci peuvent être obtenu par des procédés classiques faisant appel à des techniques de croissance cristalline telle que la transformation solide-solide, la croissance par fusion, la croissance en solution par fondant, la croissance en phase vapeur par évaporation thermique, bombardement électronique ou ablation au laser, la croissance en phase vapeur par les procédés de dépôt chimique en phase vapeur.
Par ailleurs, par déposition contrôlée de l’étain en phase gazeuse sur un substrat solide il est possible de former une monocouche d’atomes d’étain de structure hexagonale bidimensionnelle isolante. Selon le type de substrat utilisé des couches d'adhérence sont nécessaires. Ces couches sont appliquées par pulvérisation magnétron. La température dépend de l'épaisseur de la couche à déposer. Les couches d'adhérence ont une épaisseur inférieure à 100 nm, c'est pourquoi la température de ne dépasse pas 40 °C. Le dépôt de couche est effectué dans une plage de pression de 8 × 10-4mbar à 5 × 10-3mbar. L'argon est utilisé comme gaz de pulvérisation. La pression de base est déterminante pour ces couches.
Premièrement le premier substrat est déposé. Deuxièmement la première couche intermédiaire est déposée. Troisièmement la couche supraconductrice est déposée. Quatrièmement la deuxième couche intermédiaire est déposée. Cinquièmement, le deuxième substrat est déposé. Sixièmement, la couche de protection est déposée par pulvérisation. Par ailleurs, ce procédé peut comprendre la préparation de granules de substance supraconductrice cristalline constitués par au moins une rangée formée d'au moins un cristal d'une substance supraconductrice possédant un axe privilégié correspondant au plus grand côté de la maille cristalline, puis un revêtement d’au moins deux faces opposées des granules, parallèles aux axes cristallographiques privilégiés des cristaux, avec un film comprenant au moins une couche de métal ou d'alliage métallique ; puis un assemblage de granules entre eux de façon à former une rangée s'étendant selon la direction principale de l'élément dans laquelle les granules sont en contact par leurs faces opposées recouvertes du film métallique et dans laquelle les axes cristallographiques privilégiés de tous les cristaux font sensiblement le même angle avec la direction principale; et un traitement thermique pour réunir les granules entre eux par des joints métalliques formés à partir desdits films.
Dans le cas d’une configuration cylindrique, premièrement la couche supraconductrice est déposée, deuxièmement la couche intermédiaire est déposée, troisièmement la couche conductrice est déposée, quatrièmement la couche de protection est déposée par pulvérisation.
Il est possible également d’utiliser une matrice à base d’alliage d’argent (AgCu, AgAu, AgMg, AgPd), celle ci améliore surtout les propriétés mécaniques et augmente la résistivité de la matrice limitant ainsi les pertes. L'ensemble est soumis à une série de procédés comme l’étirage par une opération d'extrusion, de laminage et de traitements thermiques. Un certain nombre de ces tubes en forme de filaments sont empilés. Cet assemblage est alors extrudé à nouveau pour atteindre un certain diamètre. Ceci conduit à un rapport, largeur sur épaisseur, important (environ 10). Les grains élémentaires des composés se présentent alors sous forme de plaquettes que l'on peut observer au microscope et qui s’alignent facilement par un procédé mécanique. Ce procédé débouche ainsi sur la réalisation d'un fil de section rectangulaire.
La présente invention a été décrite en référence à divers modes de réalisation. Dans la mesure du possible, un ou plusieurs éléments, composants, constituants, structures, modules des modes de réalisation décrits peuvent être combinés, séparés, interchangés, réarrangés avec un ou plusieurs autres éléments, composants, constituants, structures, modules des modes de réalisation sans s'écarter de la portée de l'invention divulguée.
La présente invention n'est pas limitée par la description des différents modes de réalisation. L'homme de l’art peut obtenir d'autres manières de mise en œuvre à partir des solutions techniques de la présente invention.

Claims (2)

  1. Fil supraconducteur (1000) utilisé à température ambiante et à pression ambiante, comprenant,
    un premier substrat (1101) formé d'un matériau conducteur, le premier substrat (1101) permet d’augmenter la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant,
    une première couche intermédiaire (1102) disposée sur le premier substrat, et formée d'un matériau conducteur, la première couche intermédiaire (1102) permet d’augmenter la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant, et de faciliter le confinement électromagnétique et la supraconductivité dans la couche supraconductrice (1103),
    une couche supraconductrice (1103), disposée sur la première couche intermédiaire (1102), la couche supraconductrice (1103) permet d’augmenter la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant, et facilite le confinement électromagnétique et la supraconductivité, la couche supraconductrice est constituée de Dysprosium (Dy), Néodyme (Nd), Etain (Sn), Sélénium (Se) (∈, σ, λ, δ : positifs ou nuls), les coefficients ∈, σ, λ, δ : positifs ou nuls, permettent de faire différents dosages et/ou alliages avec des composés additifs éventuels,
    une deuxième couche intermédiaire (1104) disposée sur la couche supraconductrice (1103) et formée d'un matériau conducteur, la deuxième couche intermédiaire (1104) permet d’augmenter la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant, et de faciliter le confinement électromagnétique et la supraconductivité dans la couche supraconductrice (1103),
    un deuxième substrat (1105) formé d'un matériau conducteur disposée sur la deuxième couche intermédiaire (1104), le deuxième substrat (1105) permet d’augmenter la tenue mécanique et chimique, la tenue en température, la densité de courant,
    une couche protectrice (1300) formée sur la surface extérieure de manière à entourer la périphérie des couches décrites, pour protéger le fil supraconducteur.
  2. Procédé de fabrication d’un fil supraconducteur selon la revendication n° 1, Premièrement le premier substrat est déposé. Deuxièmement la première couche intermédiaire est déposée. Troisièmement la couche supraconductrice est déposée. Quatrièmement la deuxième couche intermédiaire est déposée. Cinquièmement, le deuxième substrat est déposé. Sixièmement, la couche de protection est déposée par pulvérisation.
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