Brevet FR2656956A1 — publié le 19910712

= 1 ÉLMENT DE CIRCIJIT ÉLECTRIQUE EN MATÉRIAU SUPRACONE %R DE TYPE 2 La présente inventicn conoeroe le dcmanaine de la réali- sation de circuits électriques en matériau supraonducteur de type 2 qui sercnt les seuls supeurs csidérés ici. A titre de référece génrale sur la supraonuctivité, on pourra se référer à l'ouvrage de A C Rose-Innes et E H. Rhoderick intitulé "Introduction to superconducti Vity", 2 ème édition, 1978, Pergamon Press Dans sa deuxième partie, à partir du chapitre 12, cet ouvrage traite des supraaxdyucteurs de type 2 présentant des champs critiques inférieur et supérieur H Cl et HC 2 En préseonce d'un champ appliqué inférieur au champ critique HC Ol, oe champ appliqué étant ou bien un champ externe ou bien un champ résultant d'une circulation de courant dans un supraoeduc- teur, ce supraslxiucteur se cramorte comme un supracnducteur de type 1 Au dessus du champ critique HC 1, on arrive à un état qualifié d'état mixte dans l'ouvrage ci-dessus référencé Au delà du champ critique HC 2 la supraconductivité disparaît. Dans oet ouvrage, on s'intéresse notamment à l'une des propriétés importantes d'un supracxnducteur, à savoir son courant critique Il est exposé au chapitre 13 que, pour que le courant critique soit important, il faut que la caractéristique d'aiman- tation d'un suprac Oxiucteur de type 2 soit irréversible On notera plus particulièrement en page 210 au troisième paragraphe le passage suivant: "Dans le chapitre précédent on a vu que la présenre de oentres de piégeage donnait lieu à une aimantation irré- versible pour des supracxxducteurs de type II impar- faits Si l'explication ci-dessus du courant critique est correcte, le courant critique dans l'état mixte doit être plus grand dans les matériaux qui présentent des courbes d'aimantation plus irréversibles Ceci s'est avéré en fait être le cas " Ainsi, pour décider de l'intérêt de l'utilisation d'un supraconducteur, il était classique de tracer sa courbe d'aiman- tation à la température souhaitée et 1 'on considérait que ce supraoxnducteur était intéressant, c'est-à-dire susoeptible de laisser passer un courant critique élevé, dans le domaine o sa ourbe d'aimantation était irréversible, c'est-à-dire o oette aimantation présentait un cycle d'hystrsis ouvert Ceci appa- rait notamment en figure 13 6 en page 210 du document cité o l'on compare le courant critique pour un matériau à cycle d'ai- miantation irréversible au courant critique pour un matériau à cycle d'aimantation réversible Il ressort de la courbe b indiquant le courant critique en fonction de l'intensité du champ magnétique appliqué que oe courant critique devient négligeable entre les champs critiques inférieur et supérieur HC 1 et HC 2 quand le cycle d'aimantation devient réversible. Une cc= e de oette théorie qui correspond à l'idée reçue actuelle dans le domaine des supraconducteurs est que les matériaux supricoducteurs peuvent en fait être utilisés seulement à des températures bien inférieures à leur température critique En effet, pour des températures très inférieures à leur température critique, les supraconducteurs du type 2 présentent un cycle d'hystérésis ouvert, comme le représente la figure 1 qui correspord au cycle d'aimantation de matériauux des familles Bi Sr Ca Cu O ou Tl Ba Ca Cu O à 4 K Par oxntre, pour des températures plus élevées, le cycle d'aimantation devient sur sa plus grande partie réversible au-dessus d'un champ H* compris entre HC 1 et HC 2, Comme le représente par exemple la figure 2 qui correspand au cycle d'aimantation des matériaux des familles susnentioneres à une température de 50 K Ainsi, selon le critère classique ci-dessus énoncéx, on considérait que, au- delà du champ H*, le supraeornucteur présentait un ourant critique pratiquement nul. En outre, comme l'indique d'ailleurs le passage cité, l'expé- rience semblait confirmer cette idée résultant des explications théoriques admises. La présente invention, en se basant sur une analyse nouvelle des érrnm es apparaissant dans des supra E Yxnucteurs de type 2, propose un mode de connexion d'un supraconducteur permet- tant d'obtenir un courant critique élevé au-delà du champ H* à partir duquel le cycle d'aimantation devient réversible. Ces caractéristiques et les avantages de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 et 2 représentent des cycles d'aimanta- tion d'un supraoonducteur de type 2 à température très faible devant sa température critique et à une température plus proche de sa température critique; les figures 3 A et 3 B représentent en vue de dessus et en coupe le mode de connexion classique d'un élément supraconduc- teur en couche mince; les figures 4 A et 4 B représentent en vue de dessus et en oupe le mode de connexion d'un supraconducteur selon la présente invention; la figure 5 représente la densité de courant critique dans un feuillet d'Y Ba 2 Cu 3 07-x en fncotion de l'inverse de l'épaisseur de oe feuillet; la figure 6 A représente des cycles d'aimantation d'un matériau Nb Ti filamentaire supracmruoteur pour des champs de 1 et 2 teslas, en fonction de la température; et la figure 6 B représente, pour le matériau de la figure 6 A, la densité de courant critique à 4,2 K en fonction du champ appliqué. Les matériaux supraxx eurs de type 2 prépares sous forme de couches minces ou de cristaux se présentent généralenent sous forme de plaquettes dont l'épaisseur suivant l'axe c est très faible et dont les dimensions dans des plans (a,b) sont grandes. Les figures 3 A et 3 B illustrent le mode de connexion classique d'un supracrxz Yucteur 1 déposé en couche mince sur un substrat 2 L' ax c est perpendiculaire au plan de la couche mince Les contacts 3 et 4 aux extrémités de la couche supra- olnductrioe sont déposés sur la plus grande surfaoe, c'est-à-dire parallèlement aux plans (a,b), omme cela résulte naturellement de la géométrie des matériaux préparés Ceci oorrespxxd également au voeu d'obtenir une résistance de onetact aussi faibhle que possible. On notera que les cycles d'aimantation illustrés aux figures 1 et 2 orrex Dlent à des champs appliqués selon l'axe c, c'est-à-dire orthogonalement au plan du supraconducteur 1. Selon les théories développées et les expérienres réalisées par le demandeur, le phérruèoe d'appariticn de la réversibilité du cycle d'aimantaticn au-delà d'un champ H*, tel qu'illustré en figure 2 est un phénomxne anisotrope Le champ limite d'irréversibilité H* (qui varie avec la température) correspond à une véritable transition de phase qui marque l'appa- rition d'une structure supraxo Kductrice feuilletée dans laquelle la couche supraconductrice 1 se divise en feuillets parallèles aux plans (a,b), oes feuillets étant alternativement supraconduc- teurs et à cndxuctivité finie correspondant à l'état normal On peut déduire de oe modèle l'apparition d'une résistanoe le long de l'axe c perpendiculaire aux feuillets dès que le champ H devient supérieur à H* Par contre, si on applique un courant au suprac nducteur dans une direction s'étendant dans le plan (a,b), le courant se transmettra dans les feuillets bien au-delà du champ critique H*. D'autre part, le demanxdeur a montré, dans le cas de cristaux de Y Ba 2 Cu 307, que la densité de courant critique croît quarnd l'épaisseur des cristaux diminue Cette variation est inversement proportioneolle à l'épaisseur, commue le repriéseite la figure 5 Il en résulte que plus le matériau devient feuilleté plus la densité de courant critique augmente pour atteinÉïre le courant critique limite du supraconducteur Ainsi, les matériaux supraconducteurs connus pour contenir, parallèlement aux plans (a,b), des intercroissances de feuillets de phase parasite (cette phase parasite étant à conductivité normale ou ayant une tempéra- ture critique faible) ou de la mêmne phase mais avec beaucoup de désordre atomique vont contenir des liaisons supraconductrioes faibles que le champ magrnétique rerxndra facilement normales. En conséquence, pour obtenir un courant critique élevé dans un suprac ucteur de type 2 entre les champs critiques HC Ol et HC 2, le demandeur propose simplem Ent, comme cela est illustré en figures 4 A et 4 B, étant donné une couche supraconductrice 1 déposée de la nmême façol que celle des figures 3 A et 3 B, de dis- poser des contacts 5 et 6 en bout, de faon que le courant puisse se propager dans tous les feuillets supraconducteurs formés. Selon l'inventeur, si la théorie classique selon la- quelle le courant critique devenait rngligeable au-delà du champ d' irréversibilité H* semblait être vérifiée par les expérienes faites antérieurment, c'est précisément parce que les contacts étaient réalisés corre cela est illustré en figures 3 A et 3 B, c'est-à-dire que le courant ne pouvait pénétrer que dans le feuillet supérieur d'une couche supraoenductrie ou d'un cristal supraconducteur et non pas dans tous ses feuillets. D'autre part, selon un aspect de l'invention, on notera que plus les feuillets sont mins et nombreux dans une couche donnée, plus le courant critique sera élevé. Ainsi, la présente invention prévoit, d'une part, comme cela a été énoncé prédeé nent, de disposer cxnvenablement les contacts aux extrémités d'un élément de circuit supraonducteur, de façcon sensiblement transversale à la direction vers laquelle s'étend le supraconducteur à partir du contact et, d'autre part, de feuilleter autant que possible le long des plans (a, b) la structure critallographique. Le feuilletage peut être effectué en associant en parallèle des feuilles de matériaux orientées suivant les plans (a,b) de la structure cristallographique, par exemple en utili- sant des super-réseaux de feuillets de Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3010 d'épaiseur inférieure à 10 micrcmètres séparés par d'autres feuillets du composé Bi 2 Sr 3 Cu O 6 ou Bi 2 Sr 2 Ca 2 _x Yx Cu 3 O 10 O+y o Y peut être remplacé par une autre terre rare en ooncentration suffisante pour faire disparaître la conductivité de oe feuillet. On peut aussi utiliser la propriété qu'ont de nombreux matériaux déposés en couche mine de contenir des feuillets d'intercroissanoe de phases différentes dans la structure crital- lographique Par exemple, Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3010 dont la température critique est de l'ordre de 110 K contient toujours, dans des conditions non-stoechicmtriques, des phases minoritaires telles que Bi 2 Sr 2 Ca Cu 208 et Bi 2 Sr 2 Cu O 6 qui ont des températures criti- ques plus basses Ceci constitue également un aspect original de la présente invention car l'on csidérait gérnralement dans l'art antérieur que l'existenxc de tels feuillets d' intercrois- sanoe était une souroe de liaisons faibles nuisibles à la supra- conductivité. Dans oe qui précede, et plus particulièrement en figures 4 A et 4 B, on a considéré de petits éléments de matériaux supraxonxucteurs En pratique, l'élément supracxlaucteur auquel s'appliquera l'invention sera un crmposant d'un circuit élec- trique, par exemple une spire ou une ligne que l'on veut relier à d'autres o Emposants du circuit. La présente invention a été décrite essentiellement dans le cadre de supraconducteurs en ccuche mince Elle s'appli- quera également à des supraconducteurs monocristallins ou à texture orientée en forme de fils, de barreaux, ou autre. Pour vérifier les théories expliquant la présente invention, des expériences ont été faites par le demandeur sur un supracxxxkrtur de type 2 tel que du Nb Ti multifilamentaire. Les résultats de ces expérienices sont illustrés en figures 6 A et 6 B La figure 6 A représente des cycles d'aimantation pour des champs de 1 et 2 teslas, en fonction de la température entre 2 et 8 K On voit que, dés que le champ atteint environ 2 T, le cycle d' aimantation devient réversible La figure 6 B représente, pour le matériau de la figure 6 A, la densité de courant critique à 4,2 K en foncticn du champ appliqué A oette température, la courbe d'aimantaticn est réversible dès que le champ atteint enviroen 1 T et pourtant la densité de courant critique est loin d'être négligeable au-delà de oette valeur. REVENDICATIONS 1 Elément de circuit électrique en un matériau supra- crnducteur de type 2 à texture orientée, allongé dans une dirac- tion orthogonale à l'axe cristallographique c et muni de contacts à ses extrémités opposées, utilisé dans des conditions de champ et de température telles que son cycle d'aimantaticn est réver- sible, caractérisé en ce que lesdits contacts ( 5, 6) sont formes dans un plan coupant ledit élément de façon non ortdxxeale à l'axe c. 2 Elément supracxriucteur selcn la reverndicaticn 1, caractérisé en ce que chaque contact est forme dans un plan parallèle à l'axe c et perpendiculaire à la direction générale du cxmposant au niveau de oe contact. 3 Elément supraconducteur selcn la revendication 1, caractérisé en oe que la croissance est effectuée dans des ocndi- ticns ncn-stoechiimetriques de façon à favoriser la formation de feuillets d' intercnroissance. 4 Elément de circuit électrique en un matériau supra- conducteur de type 2 à texture orientée, formé par dépôt en couche mince sur un substrat, allongé dans une direction ortho- gonale à l'axe cristallographique c et muni de contacts à ses extrémités opposées, utilisé dans des conditions de champ et de température telles que son cycle d'aimantaticn est réversible, caractérisé en ce que lesdits contacts ( 5, 6) sont formés dans un plan coupant la couche mince de façon non ortdxxnale à l'axe c. 5 Elément supraconducteur selon la revendicaticn 4, caractérisé en ce que le dépôt est effectué sous forme de super- réseau ean feuillets suprac O Eucteurs et normaux alternés selon des plans (a,b) du matériau.