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Podcast – Puis-je léviter?

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Comment puis-je léviter ? / Micro sciences / 17 min. / le 29 août 2022
Peut-on réussir à léviter? Non, pas grâce à la méditation transcendentale, mais pour de vrai... Des pistes tournent autour des supraconducteurs, comme nous l'apprend Micro sciences, le podcast qui transforme nos petits rêves en grandes réponses scientifiques et quantiques.

Aussi surprenant que cela puisse paraître, il est possible de s'élever dans les airs et de léviter. Mais pour cela, il faut éviter tout frottement et avec un dispositif particulier: "Il n'y a plus aucune force qui s'exerce sur nous, à part la pesanteur", explique Adrien Waelchli, docteur en physique quantique à l'Université de Genève.

Il se trouve devant une chaise sur laquelle on peut expérimenter ce phénomène de la physique quantique se manifestant à l'échelle macroscopique: "La physique quantique, c'est l'étude des choses à une échelle très très petite, là où il y a des effets contre-intuitifs qui apparaissent. Là, c'est en lien avec la façon dont se déplacent les électrons dans la matière: c'est en ça que c'est lié à la physique quantique."

Le pouvoir du champ magnétique

Le principe ressemble à ce qui se passe lorsqu'on met deux pôles similaires d'aimants l'un en face de l'autre: Nord contre Nord, ou Sud contre Sud, les aimants se repoussent au lieu de s'attirer. Rien de magique, c'est un effet électromagnétique: les forces invisibles de l'aimant sont dues à un champ magnétique.

Afin que la chaise flotte dans les airs et glisse au-dessus de ses rails – sans aucun contact! – elle a été équipée de patins en forme de gros blocs. Entre les rails et les patins, une feuille de papier peut passer sans problème, sans perturber la lévitation.

La chaise qui permet de léviter au Physiscope de l'Université de Genève. [Carla Silva]La chaise qui permet de léviter au Physiscope de l'Université de Genève. [Carla Silva]

Les patins contiennent un métal supraconducteur conduisant parfaitement l'électricité: "C'est-à-dire sans aucune perte énergétique contrairement aux métaux qu'on utilise habituellement dans tout le câblage électrique, comme le cuivre: même s'il est un très bon conducteur électrique, il chauffe toujours", remarque Adrien Waelchli. Des pertes qui s'expriment sous forme de chaleur, nommé "effet Joule": "Les supraconducteurs ont la propriété de n'avoir aucune perte. Autre particularité, ils peuvent créer des champs magnétiques en faisant circuler des courants; les supraconducteurs repoussent le champ magnétique et l'annulent. C'est ce qui permet d'avoir cet effet de lévitation".

Supraconductivité

A grande vitesse, les électrons créent un champ magnétique: ce dernier se forme spontanément dans certains matériaux comme les aimants collés sur la porte d'un réfrigérateur. Les supraconducteurs, eux aussi, forment un champ magnétique spontané.

C'est ce qui se passe dans les patins de la chaise pour produire l'effet de lévitation: "Les électrons – qui ont normalement tendance à se repousser à l'intérieur de la matière – vont pouvoir s'attirer. Cela facilite le passage du courant: il faut imaginer un électron qui avance et qui attire un autre avec lui. Le deuxième aura en quelque sorte plus de facilité à se déplacer".

Dans les patins de la chaise, tous les électrons circulent dans la même direction, créant un courant continu, en boucle: ainsi, ce courant fait exister le champ magnétique qui repousse les patins de la chaise des rails situés en-dessous.

La température critique

Pour obtenir ce genre de matériaux, une seule solution: "Il faut refroidir. Cette propriété supraconductrice ne s'acquiert qu'en-dessous d'une certaine température qui, elle, dépend des matériaux. Il s'agit de la température critique".

Refroidir un matériau supraconducteur revient à créer un aimant de luxe. Si un aimant possède un pôle Nord et un pôle Sud, le supraconducteur lui se comporte toujours comme l'aimant de même pôle que celui qu'il a en face de lui: par conséquent, il cherchera toujours à le repousser.

Tout matériaux ne peut pas devenir supraconducteur: "Beaucoup de métaux fonctionnent, mais ce sont plus particulièrement des alliages ou des matériaux artificiels comme ceux qui sont utilisés dans cette chaise: des matériaux fabriqués artificiellement pour cette application", remarque le physicien.

Un cube de matériau magnétique lévite au-dessus d'un supraconducteur. Le champ de l'aimant induit des courants dans le supraconducteur qui génèrent un champ égal et opposé, équilibrant exactement la force gravitationnelle sur le cube. [Image courtesy Oak Ridge National Laboratory - www.energy.gov]Un cube de matériau magnétique lévite au-dessus d'un supraconducteur. Le champ de l'aimant induit des courants dans le supraconducteur qui génèrent un champ égal et opposé, équilibrant exactement la force gravitationnelle sur le cube. [Image courtesy Oak Ridge National Laboratory - www.energy.gov]La chaise en lévitation survole des rails faits en aimants standards, mais très puissants. Les patins sont remplis d'azote liquide – à moins de 100 degrés – afin de refroidir les supraconducteurs. Ils sont appliqués en mince couche sur le fond du patin: un simple film de l'ordre du micromètre suffit, soit cinquante fois moins que l'épaisseur d'un cheveu.

Le Graal, la température ambiante

La résistance électrique diminue lorsque les métaux sont très fortement refroidis: on le constate avec tous les métaux.

Mais, dans le cas de la chaise flottante, il s'agit d'autres matériaux: "Ce sont des composés qui, à une température ambiante d'environ 20 degrés, ne sont pas de très très bons conducteurs. C'est seulement lorsqu'ils sont refroidis – que leur résistance électrique descend –, qu'ils deviennent supraconducteurs", donc de parfaits conducteurs d'électricité.

Les composés fonctionnant le mieux sont artificiels: "Cela a permis de trouver des matériaux qui ont une température critique, dans laquelle ils deviennent supraconducteurs, beaucoup plus haute. Pour les métaux, on est en dessous de 30 degrés Kelvin, soit en dessous de -250 degrés Celsius. Or les supraconducteurs sont refroidis à l'azote à -200 degrés. Le record est encore à cinquante degrés au-dessus, soit -150 degrés", constate le scientifique.

Chaque année des records sont battus. Et le Graal, c'est de trouver des matériaux devenant supraconducteurs à température ambiante: "Comme dans la vie de tous les jours, donc idéalement aux alentours de 20 degrés, avec une tolérance pour un certain changement de température". Il ne faut pas que les propriétés s'évanouissent si la température augmentait à 30 degrés, par exemple.

La supraconductivité peut s'appliquer dans le domaine des transports, comme avec le projet de l'Hyperloop: un véhicule se déplaçant à grande vitesse, en lévitation, dans un tunnel sous vide.

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A noter encore que c'est grâce à des supraconducteurs que le CERN a pu accélérer des particules et trouver le fameux boson de Higgs.

Sujet radio: Huma Khamis
Article web: Stéphanie Jaquet

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