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Oxyde mixte de baryum, de cuivre et de terre rare

Les oxydes mixtes de baryum, de cuivre et de terre rare, ou REBCO[1], forment une famille de composés chimiques connus pour être des supraconducteurs à haute température[2]. Leur champ magnétique critique Hc et leur température critique Tc élevées en font des matériaux intéressants pour le développement d'applications pour réacteurs de fusion nucléaire par confinement magnétique tels que les réacteurs d'architecture ARC (en) car ils permettent de concevoir des structures compactes meilleur marché[3] ; ils sont également étudiés pour la réalisation de nouveaux électroaimants supraconducteurs (en) pour accélérateurs de particules tels que le LHC au CERN[4] - [5].

Maille élémentaire de l'oxyde mixte de baryum, de cuivre et d'yttrium YBa2Cu3O7–δ.

Le plus connu de ces matériaux est l'oxyde mixte de baryum, de cuivre et d'yttrium YBa2Cu3O7–δ, noté Y123, premier supraconducteur connu dont la température critique se situe au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide à pression atmosphérique[6]. Sa stœchiométrie en atomes d'yttrium, baryum et cuivre est 1:2:3 et sa structure cristalline est celle de pérovskites dans laquelle l'yttrium et le baryum sont empilés selon une séquence [Ba-Y-Ba-] le long d'un axe noté c de manière conventionnelle (vertical dans le schéma). La structure résultante appartient au système orthorhombique, contrairement aux autres cuprates supraconducteurs qui cristallisent généralement dans le système tétragonal. Tous les sites d'angle de la maille élémentaire sont occupés par des atomes de cuivre, qui ont deux coordinnées notées Cu(1) et Cu(2) en fonction des atomes d'oxygène. Il existe en revanche quatre sites possibles pour les atomes d'oxygène, notés O(1), O(2), O(3) et O(4)[7].

Diverses terres rares peuvent être utilisées dans les REBCO, comme l'yttrium (YBCO), le lanthane (LBCO), le samarium (Sm123)[8], le néodyme (Nd123 et Nd422)[9], le gadolinium (Gd123) et l'europium (Eu123)[10], notations dans lesquelles les nombres indiquent la stœchiométrie des terres rares, du baryum et du cuivre.

Ces matériaux sont des céramiques fragiles qui ne se prêtent pas facilement à la réalisation de fils et de câbles. Dans les années 2010, il est cependant devenu possible de produire des bandes et rubans en REBCO enrobé[11], ce qui ouvre la voie à leur commercialisation[12].

Notes et références
  1. (en) Alok K. Jha et Kaname Matsumoto, « Superconductive REBCO Thin Films and Their Nanocomposites: The Role of Rare-Earth Oxides in Promoting Sustainable Energy », Frontiers in Physics, no 7,‎ , p. 82 (DOI 10.3389/fphy.2019.00082, lire en ligne)
  2. (en) Z. Fisk, J. D. Thompson, E. Zirngiebl, J. L. Smith et S-W. Cheong, « Superconductivity of rare earth-barium-copper oxides », Solid State Communications, vol. 62, no 11,‎ , p. 743-744 (DOI 10.1016/0038-1098(87)90038-X, Bibcode 1987SSCom..62..743F, lire en ligne)
  3. (en) Stuart Nathan, « New superconductors raise hope for fast development of compact fusion reactor », sur https://www.theengineer.co.uk/, The Engineer (en), (consultĂ© le ).
  4. (en) « To 20 Tesla and beyond: the high-temperature superconductors », sur https://home.cern/, CERN (consulté le ).
  5. (en) Jeroen van Nugteren, Glyn Kirby, Jaakko Murtomäki, Gijs DeRijk, Lucio Rossi et Antti Stenvall, « Toward REBCO 20 T+ Dipoles for Accelerators », IEEE Xplore, vol. 28, no 4,‎ , article no 2820177 (DOI 10.1109/TASC.2018.2820177, Bibcode 2018ITAS...2820177V, lire en ligne)
  6. (en) M. K. Wu, J. R. Ashburn, C. J. Torng, P. H. Hor, R. L. Meng, L. Gao, Z. J. Huang, Y. Q. Wang et C. W. Chu, « Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure », Physical Review Letters, vol. 58, no 9,‎ , p. 908-910 (PMID 10035069, DOI 10.1103/PhysRevLett.58.908, Bibcode 1987PhRvL..58..908W/, lire en ligne)
  7. (en) R. M. Hazen, L. W. Finger, R. J. Angel, C. T. Prewitt, N. L. Ross, H. K. Mao, C. G. Hadidiacos, P. H. Hor, R. L. Meng et C. W. Chu, « Crystallographic description of phases in the Y-Ba-Cu-O superconductor », Physical Review B, vol. 35, no 13,‎ , p. 7238-7241 (PMID 9941012, DOI 10.1103/PhysRevB.35.7238, Bibcode 1987PhRvB..35.7238H, lire en ligne)
  8. (en) K. Kasuga, M. Muralidhar, P. Diko, M. Jirsa, K. Inoue et M. Murakami, « SEM and SEM by EDX Analysis of Air-Processed SmBa2Cu3Oy », Physics Procedia, vol. 81,‎ , p. 41-44 (DOI 10.1016/j.phpro.2016.04.018, Bibcode 2016PhPro..81...41K, lire en ligne)
  9. (en) N. Hari Babu, W. Lo, D. A. Cardwell et A. M. Campbell, « The irreversibility behavior of NdBaCuO fabricated by top-seeded melt processing », Applied Physics Letters, vol. 75, no 19,‎ , article no 2981 (DOI 10.1063/1.125208, Bibcode 1999ApPhL..75.2981H, lire en ligne)
  10. (en) M. Murakami, N. Sakai, T. Higuchi et S. I. Yoo, « Melt-processed light rare earth element - Ba - Cu - O », Superconductor Science and Technology, vol. 9, no 12,‎ , p. 1015 (DOI 10.1088/0953-2048/9/12/001, lire en ligne)
  11. (en) « ReBCO High Temperature Superconducting Tape », sur https://www.fusionenergybase.com (consulté le ).
  12. (en) C. Barth, G. Mondonico et C. Senatore, « Electro-mechanical properties of REBCO coated conductors from various industrial manufacturers at 77 K, self-field and 4.2 K, 19 T », Superconductor Science and Technology, vol. 28, no 4,‎ , article no 045011 (DOI 10.1088/0953-2048/28/4/045011, Bibcode 2015SuScT..28d5011B, arXiv 1502.06713, lire en ligne)
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