Academic literature on the topic 'Supraconductivité, champ critique'

Les récents progrès des supraconducteurs à haute température critique (SHTC) rendent ces matériaux très prometteurs pour les applications de grande envergure. Ils montrent des propriétés stupéfiantes, particulièrement à très basse température où ils sont capables de transporter des courants extrêmement élevés. Ces conducteurs sont construits sur un substrat en alliage de nickel qui leurs permettent de supporter des efforts mécaniques considérables. Pour ces raisons, les SHTC sont à présent au cœur de nombreux projets pour bâtir une nouvelle génération d’aimants produisant des champs intenses. Ce travail est mené dans le cadre du projet Nougat dont l’objectif est la conception d’un insert générant 10 T à l’intérieur d’un aimant plus grand de 20 T. Malgré leurs remarquables propriétés, les conducteurs SHTC montrent d’importantes inhomogénéités de performance ce qui, ajouté à leur forte capacité calorifique, peut provoquer des échauffements très localisés. La transition locale du matériau vers un état dissipatif est difficile à détecter notamment à cause de la lente propagation de l’évènement. Le signal de transition risque donc d’être noyé dans le bruit de mesure et être à l’origine de dommages sévères voir irréversibles du conducteur. Pour répondre à ce problème, des électro-aimants sont fabriqués en remplaçant l’isolation électrique par un ruban métallique. Ces aimants sont appelées Bobines Métal-Isolée (BMI). Dans cette configuration et dans le cas spécifique d’une inhomogénéité sur le conducteur, le courant court-circuite le défaut en passant sur la spire suivante ce qui permet d’empêcher la destruction du bobinage. Cependant, dans ce type de bobinage, la stabilité et la linéarité du champ magnétique généré peut être un problème et les dynamiques lentes de ce type de bobine les empêchent de prétendre à être utilisé pour certaines applications. Pour des raisons pratiques, le prototype final du projet Nougat sera construit avec un bobinage métalliquement isolé mais le travail mené ici se concentre sur les bobines électriquement isolées, plus particulièrement l’étude de la transition dans le bobinage afin d’identifier des possibilités de protection fiables. Quelques résultats d’échantillons BMI sont cependant présentés pour comparaison. Dans un premier temps, les contraintes générales de conception de l’insert NOUGAT sont définies, principalement les exigences pour le conducteur et les calculs préliminaires de performance. Cette étude souligne le besoin de caractériser le conducteur SHTC sous haut champ et à basse température, dans des conditions similaires à celles du fonctionnement final du prototype d’insert. Dans un second temps, cette caractérisation expérimentale d’échantillons courts est implémentée dans un modèle pour simuler le comportement de bobines pour la construction d’aimants. L’objectif de ce modèle est d’étudier le départ de transition et sa propagation dans le bobinage. Une des particularités du modèle est la simulation de l’entièreté du bobinage dans le but de prendre en compte les inhomogénéités de performance du conducteur, dont les mesures en continu sont fournies à 77 K en champ propre par les constructeurs. Le dernier axe de ce travail est l’étude de plusieurs échantillons bobinés pour permettre notamment la comparaison entre bobinage isolé électriquement et métalliquement. Leurs comportements électrique, mécanique et thermique sont examinés ainsi que les problèmes de couplage dus à la présence d’un aimant extérieur. Les résultats expérimentaux sont comparés aux calculs préliminaires ainsi qu’aux simulations de modèle. Un protocole expérimental est également proposé pour évaluer les performances d’une bobine sans risque et est testé avec succès
Recent improvements in High Temperature Superconductors (HTS) make them promising for large scale applications. They show astonishing properties, especially at very low temperature where they are able to carry high amount of current. These conductors are also built on a nickel alloy substrate allowing them to face severe mechanical stresses. For these reasons, HTS are now placed at the heart of numerous projects for building a next generation of high field magnets. This work is conducted in the NOUGAT project, which intends to design and build a 10 T HTS insert working in a 20 T background field. Despite their outstanding properties, HTS conductors show strong inhomogeneities in their performance along their length. This added to their high heat capacity can be at the origin of local hot spots. The transition to a dissipative state on this local area is then difficult to detect; because of the low speed of its propagation. The transition signal is likely to be lost in the high noise level environment, which can lead the winding to severe or irreversible damages.One way of dealing with this problem is to create coils where the electric insulation is removed and replaced by a metallic layer, the so-called Metal-as-Insulation winding technique. In this configuration and in a case of an inhomogeneity, the current bypasses through the turn-to-turn contact resistance and prevents the winding from burning. However, in such kind of winding field stability and linearity can be an issue. The slower dynamics obtained with this method prevent its use in some applications.The main focus of this work is therefore insulated coils especially the study of the transition behaviour to explore the possibility of reliable protections. In the same extend, the present work also considers safe ways to evaluate the performance of a wound sample in order for it to work with appropriate margins when at nominal operating conditions. This would decrease the need of a strong detection/protection system: the high heat capacity of the conductor makes windings unlikely to be damaged by an outside event.For practical reasons, the NOUGAT project will be built using MI technique, and therefore some MI coils results are presented in this work for comparison purpose. In a first step, the general design constrains for the NOUGAT project insert are defined, especially tape requirements and performance calculations. This underlines the necessity of characterizing the HTS conductor under high field and at low temperature, under conditions similar to the expected operation of the final insert prototype.In a second step, this experimental short sample characterization is implemented in a model to simulate the behaviour of pancake coils designed to build magnet. The aim of the model is to investigate on the transition start and propagation inside the winding. One of the main specificities is the simulation of the whole winding taking as an input the continuous critical current density measurement given by the providers at 77 K, self-field.The last axis of this work is the study of several wound samples allowing comparison between both insulated and metallic insulated windings. Their electric, magnetic, mechanic and thermal behaviours are examined as well as the coupling issues while working inside an outer magnet. Experimental results are compared to preliminary calculations and modelling results. An experimental protocol to safely evaluate coil performance margins is also proposed and tested successfully.Conclusions are then drawn about the possibility to operate safely full scale HTS magnets with present day conductor performances

Le sujet de cette thèse est l'analyse du second champ critique supraconducteur (Hc2) ainsi que l'interaction entre la supraconductivité et les points critiques quantiques (PCQ), pour les composés CeCoIn5, URhGe et UCoGe. Dans le composé CeCoIn5, l'étude par résistivité du domaine de liquide de Fermi a permis la localisation précise du PCQ a pression ambiante. Cette analyse permet d'invalider l'hypothèse d'une coïncidence entre Hc2(0) et le PCQ. Dans une deuxième partie, l'évolution sous pression de Hc2 est analysée. Le dôme supraconducteur de ce composé est non-conventionnel avec deux pressions caractéristiques différentes: à ~1.6GPa, la température de transition supraconductrice est maximum alors que c'est à ~0.4GPa que la plupart des grandeurs physiques (maximum de Hc2(0), maximum de la pente dHc2/dT, maximum du saut de chaleur spécifique DC/C, ...) suggèrent la présence d'un PCQ. Nous expliquons cet antagonisme par l'importance des processus de brisure de pairs liés a la proximité du PCQ. Ces deux observations nous permettent de proposer un nouveau diagramme de phase pour CeCoIn5. Dans une troisième partie, les mesures de conduction thermique sur les composés URhGe et UCoGe sont présentées. Elles nous permettent dans un premier temps d'obtenir la transition "bulk" supraconductrice et de confirmer la forme in-habituelle de Hc2 observée en résistivité. La dépendance en températures et en champs de la conduction thermique nous permet d'identifier une contribution non-électronique au transport de chaleur jusqu'aux plus basses températures. D'autre part, nous identifions deux différents domaines supraconducteurs a bas et hauts champs appliqués selon l'axe b. Ces deux domaines sont compatibles avec un modèle de supraconductivité multigaps. Suivant ces observations et des mesures de pouvoir thermoélectrique, nous proposons un modèle de transition de Lifshitz pour ces deux composés.

La skutterudite PrOs4Sb12 est le premier composé à fermion lourd supraconducteur à base de Praséodyme. Cette thèse s'attache à répondre à plusieurs questions le concernant comme la détermination de l'intensité de la renormalisation
de la masse des quasi-particules, la nature et le mécanisme à l'origine de la supraconductivité et la nature intrinsèque ou extrinsèque de la double transition supraconductrice vue en chaleur spécifique.

Nous proposons une interpolation de la chaleur spécifique en phase normale en tenant compte des interactions magnétiques entre ions Pr. Nous extrayons alors un terme électronique de chaleur spécifique compris entre 300 et 750mJ/K2.mol(Pr). L'analyse du saut en chaleur spécifique à la transition supraconductrice confirme que les quasi-particules lourdes sont impliquées dans la supraconductivité et que la supraconductivité est en régime de couplage fort. Des caractérisations systématiques par chaleur spécifique, résistivité et susceptibilité indiquent que la double transition apparaît dans les meilleurs échantillons. Néanmoins nous apportons les premiers doutes sérieux sur sa nature intrinsèque, parce que nous avons trouvé plusieurs échantillons avec une unique transition étroite et parce qu'une forte dispersion dans la valeur du rapport des deux sauts en chaleur spécifique a été mise en évidence. De plus, en établissant les diagrammes de phase supraconducteurs sous champ magnétique et sous pression jusqu'à 4.2 GPa par chaleur spécifique alternative, nous montrons que les deux transitions
supraconductrices Tc1 et Tc2 présentent des comportements similaires. Nous avançons l'hypothèse que le fort changement dans l'évolution des Tc sous pression au dessus de 2 GPa est dû à un changement de nature de la supraconductivité (impliquant des fluctuations puis uniquement phononique à respectivement basse et haute pression) en lien avec l'augmentation du gap de champ cristallin des ions Pr sous pression. L'analyse du second champ critique Hc2(T) montrent la présence d'au moins deux bandes supraconductrices et conclue à la nature singulet du spin des paires de Cooper. Une forte distorsion du réseau de vortex, constante avec le champ et la température, est obtenue par diffraction de neutrons. Des mesures supplémentaires ou un nouveau calcul seraient nécessaires pour trancher entre une explication basée sur la présence de zéros dans le gap supraconducteur et une analyse basée sur la topologie de la surface de Fermi en symétrie Th.

Ce travail concerne l'etude de l'influence du deficit en oxygene et de la nature de la terre rare sur la temperature de transition supraconductrice et le champ magnetique critique, dans le compose (tr)ba#2cu#3o#7##x, (tr=gd, dy, y). Il a ete constate une decroissance lineaire du champ critique par augmentation de la concentration des lacunes d'oxygene. Il se produit aussi un abaissement du champ critique en remplacant gd par dy puis dy par y. La teneur en oxygene agit sur la valence mixte du cuivre produisant ainsi une dimunution de la densite d'etat au niveau de fermi. Sur les souches minces yba#2cu#3o#7##x, l'etude du champ critique pour les deux orientations parallele et perpendiculaire aux plans cuivre-oxygene conduit a un rapport d'anisotropie de l'ordre de 15. Dans ces deux orientations, la longueur de coherence est estimee a 7a et 27a respectivement

Ferromagnétisme et supraconductivité sont habituellement considérés comme deux ordres antagonistes, aussi la découverte de leur coexistence dans URhGe et UGe2 a généré beaucoup d'intérêt. Le mécanisme expliquant un tel état n'a cependant pas encore était totalement élucidé. La supraconductivité dans ces composés serait non conventionnelle: les fluctuations magnétiques pourraient être responsables de l'appariement des électrons en paires de Cooper avec des spins parallèles. Cette thèse porte sur l'étude du composé ferromagnétique supraconducteur URhGe. URhGe devient ferromagnétique en dessous d'une température de Curie de 9,5 Kelvin, avec des moments spontanés alignés selon l'axe c de sa structure orthorhombique. Pour des températures inférieures à 260 mK et des champs plus petits que 2 Tesla, une phase supraconductrice a été observée dès 2001. Au cours de cette thèse une deuxième phase supraconductrice induite sous champ a été mise en évidence dans des monocristaux pour des hauts champs magnétiques appliqués selon l'axe b des cristaux. Cette deuxième poche de supraconductivité enveloppe une transition métamagnétique ayant lieu pour un champ de 12 Tesla. Nous présentons dans ce manuscrit une étude détaillée de cette supraconductivité et de sa relation avec la transition métamagnétique. Nous discutons de l'existence d'un point critique quantique dans le diagramme de phase magnétique et du rôle des fluctuations magnétiques émergeant de ce point critique quantique dans le mécanisme d'appariement des électrons
As ferromagnetism and superconductivity are usually considered to be antagonistic, the discovery of their coexistence in UGe2 and URhGe has attracted a lot of interest. The mechanism to explain such a state has, however, not yet been fully elucidated. In these compounds superconductivity may be unconventional : Cooper pairs could be formed by electrons with parallel spins and magnetic fluctuations might be involved in the pairing mechanism. This thesis deals with the study of the ferromagnet superconductor URhGe. URhGe becomes ferromagnetic below a Curie temperature of 9. 5 K, with a spontaneous moment aligned to the c-axis of its orthorhombic crystal structure. For temperatures below 260 mK and fields lower than 2 Tesla, superconductivity was first observed in 2001. The thesis reports the discovery of a second pocket of superconductivity. This new pocket of superconductivity appears in single crystals at higher fields applied close to the b-axis, enveloping a sudden magnetic moment rotation transition at HR=12 Tesla. Detailed studies of the field induced metamagnetic transition and superconductivity are presented. This work suggests that there is a quantum critical point in the magnetic phase diagram. The role of the magnetic fluctuations emerging from this quantum critical point to the pairing mechanism giving superconductivity is discussed

L'étude de la phase supraconductrice du conducteur organique quasi 1D, (TMTSF)2ClO4, à partir de mesures de transport électronique linéaire ( mesure de la résistivité le long de l'axe c, Pc ) en champ magnétique appliqué perpendiculairement et parallèlement aux plans supraconducteurs, nous a permis de déterminer le diagramme de phase de vortex, en établissant toutes les lignes caractéristiques (ligne du champ critique supérieur, ligne de fusion). L'analyse des courants critiques et des fluctuations supraconductrices montrent aussi que la structure est tridimensionnelle et que le transport dans la direction c est très cohérent, malgré le faible couplage dans cette direction. Dans l'état liquide de vortex, l'énergie d'activation montre une dépendance en H^(-1) caractéristique de la déformation plastique des lignes de flux tridimensionnelles à cause vraisemblablement de joints de grains apparaissant lors du refroidissement. L'augmentation du désordre introduit par la vitesse de refroidissement montre une augmentation du champ critique supérieur, une ligne de fusion qui se décale vers les plus basses températures et une diminution de la longueur de corrélation des lignes de flux selon la direction la plus faiblement conductrice
The present thesis work, was focusing in particular, on the superconducting state of quasi one dimensional organic conductor (TMTSF)2ClO4. We have determined a new vortex phase diagram of this compound, by interlayer transport measurement, performed under magnetic field applied perpendicular to the layers. Starting from an analysis of the critical current and the superconducting fluctuations, we have demonstrated that the electronic structure of (TMTSF)2ClO4 is three dimensional in nature and the transport along the weakest conductivity axis (c-axis) is very coherent although the coupling is weak in this direction. In the mixed state, the pinning energy in the liquid phase shows a 1/H dependence which corresponds to the plastic bending of the flux line lattice. Finally, we have also studied the effect of the disorder introduced by different thermal cooling rates. Our results show strong modifications on the superconducting parameters

Les fils supraconducteurs Nb3Sn sont, parmi les matériaux, ceux qui présentent le plus d'applications possibles pour produire des champs magnétiques supérieurs à 10 Tesla. L'utilisation la plus immédiate se place dans le cadre du projet ITER, qui est considéré comme un grand espoir de source d'énergie dans le futur. La conception composite avec beaucoup de cuivre, un petit nombre de sous-éléments, une barrière de diffusion non réactive et la technologie de l'étain interne RRP (Restacked Rod Process) est généralement utilisée pour la fabrication des fils. Des spécifications particulières sont nécessaires pour cette utilisation. Elles peuvent être obtenues par une conception particulière de l'assemblage des filaments, la méthode de formation de la phase A15 Nb3Sn (ici le procédé de l'étain interne), les traitements thermiques. De tels fils ont été fournis par les sociétés MSA/Alstom et WST/NIN pour cette étude. Pour déterminer de manière précise les conditions de formation et les cinétiques de réaction, des filaments plus simples ont été préparés (4 formulations avec des rapports Cu/Sn différents et des additifs différents). Pour cela différentes techniques de caractérisation ont été mises en œuvre, mesures d'aimantation sous champ magnétique, diffraction neutronique, microscopies électroniques (MEB/EDEX, TEM).
L'épaisseur de la couche de la phase A15 mesurée dans différents monofilaments a permis de déterminer la loi de cinétique de formation selon deux modèles. Les résultats ont clairement montré que le modèle de diffusion en phase solide est en accord avec une loi de puissance n et que la valeur de n augmente avec la température de traitement et le taux d'étain dans le fil composite.

La résonance plasma Josephson a permis de détecter précisément l'évolution de la densité suprafluide hors plan dans le Bi2Sr2CaCu2O8+∂ sous-dopé en fonction du désordre cristallin. La comparaison avec plusieurs résultats de la littérature a permis de montrer que le transport des charges est réalisé par effet Josephson incohérent par opposition au cas optimalement dopé. Tandis que l'évolution des propriétés supraconductrices au sein des plans est bien interprétée dans le cadre de la théorie d'Abrikosov Gor'kov, le transport interplan des paires de Cooper est assuré par diffusion anisotrope dans la limite de Born sur les défauts présents entre les couches CuO2. Ce résultat est en accord avec la récente proposition qui relie les modulations spatiales du gap supraconducteur à la présence des défauts d'oxygène entre les plans. Concernant les propriétés de l'état mixte, la résonance plasma a pu montrer que le rajout d'une composante parallèle aux plans CuO2 du champ magnétique à un liquide de pancakes, permet d'induire des corrélations spatiales. Cet effet est dû à la réorganisation des courants supraconducteurs. Là encore, seule la résonance plasma Josephson permet de sonder l'état liquide des vortex en raison de sa grande fréquence par rapport aux mouvement de vortex.

Cette thèse se décompose en deux parties. Dans la première, nous nous intéressons au premier champ critique, Hc1, du titanate de strontium, que nous mesurons à l’aide d’un réseau de microsondes de Hall taille dans un gaz bidimensionnel. La valeur du premier champ critique nous permet alors d’évaluer la densité superfluide à six différents dopages couvrant l’ensemble du dôme supraconducteur. À bas dopage, nous trouvons que celle-ci correspond à la densité de porteurs dans l’état normal tandis qu’au-delà du dopage optimal, celle-ci chute drastiquement. En plaçant nos résultats dans le contexte de la loi de Homes, nous voyons que cette chute s’explique par l’entrée dans la limite sale. Un lissage multibande de Hc1(T), dans ce contexte semble également indiquer que la supraconductivité émerge de la bande la plus basse et est seulement induite dans les deux autres bandes. Dans la seconde partie, nous regardons l’évolution de la densité de porteurs, n, du cuprate Nd-LSCO. Nous mesurons ainsi six échantillons de dopages proches du point critique pseudogap, p*, via trois sondes de transport : effet Hall, résistivité et effet Seebeck. Nous trouvons que n chute de 1+p a p a l’entrée dans la phase pseudogap. En comparant les différentes sondes, nous montrons que cette chute est due à une reconstruction de la surface de fermi et qu’il existe sûrement des poches d’électrons et de trous juste en dessous de p*. Ceci est en accord, entre autres, avec un scénario antiferromagnétique. Finalement, nous trouvons que la mobilité est inchangée à l’entrée dans la phase pseudogap et que les mesures de transports semblent insensibles à la divergence de la masse effective vue par chaleur spécifique.