Câbles coaxiaux supraconducteurs à basse température

Les câbles coaxiaux supraconducteurs à basse température (câbles coaxiaux LTS) sont des « fibres nerveuses » indispensables dans les expériences de physique à ultra-basse température et dans des technologies de pointe telles que l'informatique quantique.

Pour mieux comprendre ces câbles, nous pouvons les examiner selon trois perspectives : leur structure, leurs principes de fonctionnement, et les défis fondamentaux auxquels ils sont destinés à remédier.

1. Structure centrale : Pourquoi parle-t-on de « coaxial » ?

Sur le plan structurel, les câbles coaxiaux supraconducteurs à basse température adoptent une configuration coaxiale similaire à celle des câbles TV coaxiaux domestiques classiques. Toutefois, les matériaux et les conditions de fonctionnement sont fondamentalement différents.

Conducteurs intérieur et extérieur : Ils sont généralement fabriqués à partir de matériaux supraconducteurs à basse température tels que le NbTi (niobium-titane).

Couche d'isolation (diélectrique) : Située entre les conducteurs intérieur et extérieur, la couche diélectrique est généralement constituée d'un matériau présentant des pertes diélectriques extrêmement faibles, comme le PTFE (Téflon).

Environnement de fonctionnement : Le câble doit fonctionner à des températures extrêmement basses — généralement inférieures à 4,2 K (température de l'hélium liquide). Dans ces conditions, le matériau supraconducteur entre dans un état sans résistance.

Cette structure coaxiale assure une transmission stable des signaux haute fréquence avec des pertes minimales dans des conditions cryogéniques.

2. Pourquoi utiliser des matériaux supraconducteurs pour les câbles ?

Dans des expériences de précision telles que la commande de puces quantiques, des signaux micro-ondes doivent être transmis depuis un environnement à température ambiante jusqu'à une étape à ultra-basse température (par exemple, 20 mK). Si des câbles en cuivre conventionnels sont utilisés, deux problèmes critiques apparaissent.

Atténuation du signal (perte de signal) : Les métaux ordinaires possèdent une résistance électrique. Lors de la transmission de signaux haute fréquence, l'énergie est convertie en chaleur, ce qui provoque une décroissance de l'amplitude du signal et peut entraîner une distorsion ou une perte de signal.

Conduction thermique (problème de fuite de chaleur) : Le cuivre est non seulement un bon conducteur électrique, mais aussi un excellent conducteur thermique. La chaleur provenant du côté à température ambiante peut facilement circuler le long du câble vers la zone cryogénique, imposant une charge thermique importante au système de réfrigération et pouvant provoquer une instabilité du système.

La « magie » des câbles supraconducteurs à basse température réside dans leur résistance électrique nulle et leur faible conductivité thermique, permettant la transmission de signaux micro-ondes presque sans perte tout en protégeant efficacement l'environnement ultra-froid.

3. Scénarios d'application

Informatique quantique : Ces câbles acheminent précisément les signaux de commande et de lecture micro-ondes vers les qubits supraconducteurs, minimisant ainsi la décohérence causée par le bruit thermique.

Physique des champs magnétiques élevés : Dans les accélérateurs de particules et les systèmes d'IRM, les câbles coaxiaux supraconducteurs assurent une transmission fiable des signaux haute fréquence sous des champs magnétiques intenses.

Exploration spatiale : Dans les satellites et les systèmes de détection infrarouge nécessitant un refroidissement cryogénique, ces câbles contribuent à maintenir une sensibilité extrêmement élevée tout en réduisant la charge thermique.

4. Supraconducteurs à basse température (LTS) contre supraconducteurs à haute température (HTS)

Câble coaxial supraconducteur à basse température (LTS) : Les matériaux incluent le NbTi et le Nb3Sn, fonctionnant sous 10 K à l'aide d'hélium liquide, principalement utilisés pour la transmission de signaux et les mesures de précision.

Câble électrique supraconducteur à haute température (HTS) : Les matériaux incluent le YBCO et le BSCCO, fonctionnant entre 65 et 77 K à l'aide d'azote liquide, principalement destinés à la transmission de puissance à fort courant.

Conclusion

Les câbles coaxiaux supraconducteurs à basse température peuvent être considérés comme des autoroutes d'information à micro-échelle sans perte. Ils assurent une transmission quasi sans pertes des signaux micro-ondes tout en supprimant les fuites thermiques dans les systèmes à ultra-basse température.

Fort d'une expérience de longue date dans les technologies de câbles haute fréquence et de précision, Hotten continue d'améliorer les matériaux conducteurs, les structures diélectriques et la stabilité globale des câbles, offrant ainsi des solutions fiables de transmission de signaux à basse température et haute fréquence pour la recherche avancée et les applications haut de gamme.