Supraconducteurs en micro et nanotechnologie , livre ebook

EDP Sciences - Rémi Kahn , Philippe Mangin

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186 pages

Français

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Description

L’ouvrage présente les applications des supraconducteurs en micro et nanotechnologie : – SQUIDs (mise en oeuvre, utilisation en magnétométrie de laboratoire, systèmes embarqués, applications médicales de magnétoencéphalographie) ; – détecteurs bolomètriques, KID ou à effet tunnel utilisés dans des télescopes géants pour exploration des radiations spatiales tel le fond diffus cosmologique, mémoire des premiers instants de l’univers ; – diverses électroniques sur la logique RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) à base de jonctions Josephson avec le bit quantum de flux. Le lecteur comprend les phénomènes et acquiert une vision globale des apports de la supraconductivité en micro et nanotechnologie, et des enjeux scientifiques et sociétaux. Trois autres ouvrages de la collection Grenoble Sciences traitent des bases physiques de la supraconductivité, des matériaux supraconducteurs, et des applications magnétoélectriques.

De nombreux scientifiques, techniciens et ingénieurs, bien sûr les étudiants (de niveau L3 scientifique), les universitaires, chercheurs et enseignants pourront utiliser le présent ouvrage pour comprendre et utiliser les technologies supraconductrices.

Sujets

Sciences expérimentales

Physique

Physical attractiveness

Quantum Theory

Sciences et techniques

SQUIDs

Rapid single flux quantum

Physics

Science

Informations

Publié par	EDP Sciences
Date de parution	28 février 2023
Nombre de lectures	3
EAN13	9782759828326
Langue	Français
Poids de l'ouvrage	3 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,5100€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Extrait

Philippe Mangin et Rémi Kahn
Supraconducteurs en micro et nanotechnologie
SQUIDs, détecteurs, électronique
Copyright

EDP Sciences 2018
ISBN papier : 9782759822096 ISBN numérique : 9782759828326
Composition numérique : 2022
http://publications.edpsciences.org/
Cette uvre est protégée par le droit d auteur et strictement réservée à l usage privé du client. Toute reproduction ou diffusion au profit de tiers, à titre gratuit ou onéreux, de tout ou partie de cette uvre est strictement interdite et constitue une contrefaçon prévue par les articles L 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. L éditeur se réserve le droit de poursuivre toute atteinte à ses droits de propriété intellectuelle devant les juridictions civiles ou pénales.
Présentation

L’ouvrage présente les applications des supraconducteurs en micro et nanotechnologie : – SQUIDs (mise en œuvre, utilisation en magnétométrie de laboratoire, systèmes embarqués, applications médicales de magnétoencéphalographie) ; – détecteurs bolomètriques, KID ou à effet tunnel utilisés dans des télescopes géants pour exploration des radiations spatiales tel le fond diffus cosmologique, mémoire des premiers instants de l’univers ; – diverses électroniques sur la logique RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) à base de jonctions Josephson avec le bit quantum de flux. Le lecteur comprend les phénomènes et acquiert une vision globale des apports de la supraconductivité en micro et nanotechnologie, et des enjeux scientifiques et sociétaux. Trois autres ouvrages de la collection Grenoble Sciences traitent des bases physiques de la supraconductivité, des matériaux supraconducteurs, et des applications magnétoélectriques.
De nombreux scientifiques, techniciens et ingénieurs, bien sûr les étudiants (de niveau L3 scientifique), les universitaires, chercheurs et enseignants pourront utiliser le présent ouvrage pour comprendre et utiliser les technologies supraconductrices.
Table des matières Avant-propos Remerciements Introduction Chapitre 1. Les SQUIDs et leur mise en uvre 1.1 - Rappel des bases théoriques sur la jonction Josephson 1.2 - Les types de SQUIDs 1.3 - Fonctionnement du DC-SQUID 1.4 - DC-SQUID opérationnel 1.5 - Lecture du DC-SQUID par contre-réaction de flux 1.6 - Micro et nano-SQUIDs Complément C1A Complément C1B Chapitre 2. Magnétométrie à SQUID 2.1 - Les magnétomètres 2.2 - Gradiomètres 2.3 - Magnétomètres de laboratoire 2.4 - Applications en géophysique 2.5 - Applications des micro et nano-SQUIDs 2.6 - Expérience « Gravity Probe B » Chapitre 3. Bolomètres supraconducteurs 3.1 - Généralités sur les bolomètres 3.2 - Principe du bolomètre supraconducteur TES 3.3 - Comportement thermique du bolomètre TES 3.4 - Dispositif expérimental de mesure 3.5 - Mesure des flux et énergies 3.6 - Résolution des bolomètres TES 3.7 - Mise en uvre des bolomètres TES 3.8 - Quelques exemples d utilisation de bolomètres TES 3.9 - Bolomètre à électrons chauds Complément C3A Accessibilité aux ondes millimétriques d origine astronomique Complément C3B Multidétecteurs bolométriques Chapitre 4. Détecteurs quantiques 4.1 - Condensat supraconducteur et quasiparticules 4.2 - Impédance cinétique 4.3 - Incidence de la longueur de cohérence 4.4 - Mise en uvre des KIDs 4.5 - Dispositifs KIDs 4.6 - Multidétecteur et multiplexage KID 4.7 - Bolomètre à KID (TKID) pour photons X 4.8 - Détecteurs à effet tunnel 4.9 - Détecteurs à jonction tunnel Josephson (STJ) Chapitre 5. Introduction à l électronique supraconductrice RSFQ 5.1 - Dispositifs à logique statique 5.2 - La logique RSFQ 5.3 - Les dispositifs ( hardware ) 5.4 - Un exemple : la porte « ET » 5.5 - Aspect énergétique de la cellule (0/1) 5.6 - Vers l électronique RSFQ à jonctions 5.7 - Une voie ouverte Notations Règles générales Index A B C D E G I J K M N O P Q R S T V
Avant-propos

L e présent ouvrage fait partie d un ensemble de quatre livres consacrés à la supraconductivité et édités dans la collection Grenoble Sciences avec le soutien des membres des communautés scientifiques concernées :
Supraconductivité - Introduction propose des bases scientifiques solides pour un public assez large. Le lecteur s initie à la théorie de London, aux équations de Pippard, aux types de supraconductivité (I et II), aborde les paires de Cooper et les résultats de la théorie BCS et enfin se familiarise avec les effets de cohérence quantique à la base des propriétés de la jonction Josephson et du fonctionnement des SQUIDs, éléments fondamentaux pour de nombreuses applications. Le niveau de l ouvrage est globalement du master de physique, mais nombre de parties sont abordables par les étudiants de fin de premier cycle.
Matériaux - structures et propriétés physico-chimiques offre une revue des grandes classes de matériaux supraconducteurs, aussi bien à destination des ingénieurs que pour les chercheurs, enseignants et étudiants. On y trouve des métaux et alliages, des oxydes dont les cuprates à haute température critique, des composés organiques lamellaires, des composés à base de fer, élément longtemps considéré comme le tueur par excellence de la supraconductivité, des fermions lourds souvent qualifiés d exotiques etc.
Leurs performances sont sans cesse améliorées et leur diversité est particulièrement frappante tant du point de vue de leur structure et de leur chimie que des mécanismes physiques mis en jeux.
Si, pour éviter un aspect catalogue, la présentation est aussi pragmatique que possible en suivant un fil directeur s appuyant sur les propriétés structurales et physicochimiques, il est procédé de temps à autre à un recentrage théorique qualitatif qui doit permettre une lecture transversale de ce foisonnement insoupçonné de matériaux supraconducteurs.
Applications magnétoélectriques des supraconducteurs présente les réalisations qui mettent en jeu des courants de très forte intensité, que ce soit dans les aimants, pour le transport du courant, ou au sein d autres dispositifs. Les premiers chapitres sont consacrés à l ingénierie conduisant à la production industrielle de fils d alliages métalliques (Nb - Ti, Nb 3 Sn, MgB 2 ) et de rubans supraconducteurs à haute température critique.
Les chapitres suivants abordent les différentes applications dans lesquelles les supraconducteurs jouent un rôle décisif, depuis les installations les plus spectaculaires avec le LHC, ITER, le train à sustentation magnétique japonais, jusqu aux IRM qui équipent les hôpitaux en passant par de nombreuses niches et de multiples projets futuristes susceptibles de voir le jour. Dans chaque cas, il est procédé à une présentation des enjeux scientifiques, technologiques ou médicaux puis à l apport de la technologie supraconductrice et de ses dispositifs originaux.
Supraconducteurs en micro et nanotechnologies : SQUIDs, détecteurs, électronique présente les applications portées par des films minces au travers de différentes propriétés uniques des supraconducteurs et en particulier de l effet Josephson.
Ce sont les SQUIDs qui permettent de mesurer des champs magnétiques extrêmement faibles. Si on les trouve en premier lieu intégrés dans de multiples magnétomètres de laboratoire ils sont aussi implantés dans des dispositifs très divers et souvent futuristes allant de la magnétoencéphalographie, à la localisation de gisements souterrains en passant par les mouvements ioniques en atmosphère terrestre.
Ce sont des détecteurs ultrasensibles de particules, de type bolomètre, à effet tunnel ou à inductance cinétique (KID) qui équipent progressivement les télescopes terrestres et embarqués.
C est enfin un projet d électronique dynamique, ultrarapide, qui pourrait se développer en raison des économies d énergie qu elle permet d envisager.
Remerciements

N ous tenons tout particulièrement à remercier Jean Bomarel qui nous a encouragé et nous a fait confiance. Le comité de lecture à la fois rigoureux et amical qu il a su rassembler fut déterminant pour l aboutissement de cet ouvrage. Lecteurs, nous apprécions beaucoup la collection Grenoble Sciences pour la qualité et la pertinence de ses publications. Auteurs, nous sommes très honorés d être de cette aventure exceptionnelle.
L écriture d ouvrages rassemblant des thèmes, des applications et des réalisations aussi diverses n aurait pas été possible sans le concours des nombreux spécialistes membres du comité de lecture, et des nombreux chercheurs* qui nous ont apporté leur expertise. Nous les remercions très chaleureusement. Le contenu de ces ouvrages a aussi bénéficié des conseils avisés de nombre de nos collègues de l Institut Jean Lamour de Nancy (IJL) et du Laboratoire Léon Brillouin de Saclay (LLB).
Madame Laura Capolo a coordonné avec expertise, rigueur et gentillesse la progression de ces ouvrages. Mesdames Sylvie Bordage, Gwenn Cognard et Anne-Laure Passavant, ont effectué un minutieux travail de graphisme et de mise en page, si important pour le lecteur. Qu elles en soient remerciées.
* Outre les membres du comité de lecture, nos remerciements vont à Alexis Amadon, Nicolas Bergeal, Pierre Bertand, Grégoire Coiffard, François Debray, Arnaud Devred, Jean-Marie Escanyé, Philippe Fazilleau, Daniel Fruchart, Bertrand Hervieu, Paul Loubeyre, Pierre de Marcillac, François Pageot, Pierre Pugnat, Abderrezak Rezzoug, Jean-Claude Villegier.
Introduction

À côté des applications magnétoélectriques qui requièrent la fabrication de câbles massifs pouvant supporter de fortes intensités de courant, se développe, à la faveur de l explosion des techniques de lithographie, une série de dispositifs supraconducteurs de taille submillimétrique intégrables dans les dispositifs micrométriques, voire nanométriques.
Le premier chapitre de cet ouvrage aborde les jonctions Josephson dans lesquelles les paires de Cooper traversent des barrières isolantes nanométriques par effet tunnel, et les SQUIDs dont la sensibilité est liée à la taille des circuits qui les composent. Dans ce chapitre, les paires de Cooper, dont l