Manuel de mécanique quantique d’un curieux observateur, pt 7: Le siècle quantique

L’avenir existe – Il n’est pas uniformément réparti.William Gibson

En tant que fabricants d’outils, ce n’est que récemment que nous avons pu utiliser la mécanique quantique. Comprendre et manipuler des dispositifs quantiques, c’était comme obtenir une nouvelle superpuissance enivrante – il y a tellement de choses que nous pouvons construire maintenant qui auraient été impossibles il y a quelques années.

Nous avons rencontré certaines de ces techniques quantitatives dans des articles précédents. Certains, comme les points quantiques des téléviseurs, sont déjà familiers; D’autres, comme les montres optiques, existent mais sont très rares.

Parce que c’est le dernier article sur Ces sériesJe voudrais me tourner vers le futur proche car les technologies quantiques sont susceptibles d’infuser notre existence quotidienne. Il n’est pas nécessaire de détourner le regard – toutes les technologies que nous allons explorer aujourd’hui sont déjà en place. La plupart d’entre eux sont encore rares, isolés dans des laboratoires ou comme démonstrateurs de technologie. D’autres sont bien visibles, comme l’appareil IRM d’un hôpital local ou le disque dur de votre bureau. Dans cet article, concentrons-nous sur certaines des techniques que nous n’avons pas rencontrées dans les articles précédents: supraconductivité, polarisation des particules et électronique quantique.

Quand on regarde ces technologies quantiques, on imagine ce que ce serait de vivre dans un monde où les dispositifs quantiques sont omniprésents. Que signifie être un apprenant technique lorsque la connaissance de la mécanique quantique est une condition préalable à la compréhension de la technologie quotidienne?

Alors prenez vos jumelles et jetons un coup d’œil aux technologies quantiques à venir.

Supraconducteurs

Dans un fil conducteur ordinaire, vous pouvez connecter une batterie et mesurer la vitesse (courant ou nombre et vitesse d’électrons) qui la traverse. Il faut une certaine pression (effort) pour pousser les électrons à travers, et cette poussée dégage de la chaleur – pensez à la lueur rouge des serpentins dans un radiateur ou un sèche-cheveux. Difficulté à pousser des électrons à travers une substance la résistance.

Mais nous savons que les électrons se déplacent sous forme d’ondes. Lorsque vous refroidissez tous les atomes d’une substance, la taille des ondes électroniques qui transportent le courant électrique devient plus grande. Une fois que la température est suffisamment basse, cette ondulation peut passer d’un ennui subtil à la marque des électrons. Soudainement, les ondes d’électrons se couplent et se déplacent sans effort à travers le matériau – la résistance tombe à zéro.

La température à laquelle l’ondulation électronique prend le relais dépend du cristal dans lequel se trouvent les électrons, mais elle est toujours froide et comprend des températures auxquelles des gaz tels que l’azote ou l’hélium deviennent liquides. Malgré le défi de garder les choses au frais, la supraconductivité est une propriété tellement étonnante et utile que nous l’utilisons de toute façon.

Électro-aimant. L’utilisation la plus répandue de la supraconductivité est les électroaimants dans les appareils IRM. En tant qu’enfant, vous avez peut-être fabriqué un électroaimant en enroulant un fil autour d’un goujon et en attachant le fil à la batterie. Les aimants de l’appareil IRM sont similaires en ce qu’ils ne sont qu’une grosse bobine de fil. Mais lorsque vous avez environ 1000 ampères de courant traversant le fil, les aimants fonctionnent Coûteux. Il ressemble généralement au plus grand radiateur au monde.

La réponse est donc d’utiliser un fil spécial et de le refroidir dans un liquide d’hélium. Une fois qu’il est supraconducteur, vous pouvez le brancher sur une source d’alimentation et augmenter le courant (cela prend 2-3 jours – là Vidéo de la fixation d’un aimant IRM). Ensuite, vous séparez les aimants et Éloignez-vous. Comme il n’y a pas de résistance, le courant continuera à circuler tant que vous garderez l’aimant au frais. Lorsqu’un hôpital installe un nouvel appareil IRM, l’aimant est allumé une fois installé, puis détaché et laissé allumé pour le reste de sa vie.

Alors que les machines IRM sont l’exemple le plus évident, les aimants supraconducteurs sont en fait très courants. Tout bon laboratoire ou département de chimie aura de nombreux aimants supraconducteurs dans les machines à résonance magnétique nucléaire (RMN) et les spectromètres de masse. La ligne d’aimants supraconducteurs est située à 18 km du LHC et apparaît sous d’autres formes dans les départements de physique. Quand nous avons eu un petit projet, nous avons cherché un aimant supraconducteur dans une allée de stockage derrière mon laboratoire et l’avons rénové. Les physiciens envoient des catalogues brillants par les fabricants d’aimants supraconducteurs.

Lignes de transmission. La prochaine application évidente consiste à étendre un fil supraconducteur vers l’extérieur et à l’utiliser pour transmettre de l’électricité. Il existe de nombreux projets de démonstration dans le monde qui utilisent des lignes électriques supraconductrices. Comme pour la plupart des applications industrielles, il ne s’agit que de trouver des cas où la performance d’un supraconducteur vaut son prix élevé. À mesure que le prix baisse, les lignes de transport supraconductrices à longue distance peuvent devenir essentielles à mesure que nous ajoutons plus d’énergie solaire et éolienne renouvelable au réseau – la capacité de charger de l’énergie sur de longues distances peut être sans perte, même en dehors des variations locales de la production d’énergie renouvelable.

Générateurs et moteurs. Si vous avez un aimant supraconducteur incroyablement puissant, vous voudrez l’utiliser dans des générateurs et des moteurs. Le refroidissement est, comme toujours, un problème, mais des aimants plus puissants peuvent rendre le moteur / générateur beaucoup plus petit et plus efficace. Ceci est particulièrement intéressant pour les éoliennes (poids réduit sur la tour), et les moteurs électriques pour bateaux et avions (poids réduit et efficacité améliorée).