Un nouvel aimant supraconducteur brise le record d’intensité du champ magnétique

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| National High Magnetic Field Laboratory

Les aimants supraconducteurs sont utilisés dans de nombreux milieux, du domaine médical aux centrales nucléaires, en passant par les accélérateurs à particules. Ils ont la capacité de produire des champs magnétiques de haute intensité pouvant être contrôlés pour diverses applications. Récemment, des chercheurs ont atteint un nouveau record d’intensité avec un nouveau type d’aimant supraconducteur.

Un nouvel aimant supraconducteur a brièvement maintenu une étonnante intensité de champ magnétique de 45.5 teslas. À titre de comparaison, l’intensité du champ magnétique terrestre varie entre 30 µT et 60 µT. La mesure, réalisée par des chercheurs du Laboratoire national de champs magnétiques élevés (MagLab) de la Florida State University, et publiée dans la revue Nature, réinitialise la barre des possibilités pour les champs magnétiques en courant continu, dépassant la limite précédente d’un demi-tesla.

Le MagLab abrite déjà l’aimant continu le plus puissant du monde, un hybride reposant sur l’association d’un supraconducteur extrêmement froid et d’un électro-aimant plus typique. Des conditions aussi extrêmes nécessitent des canalisations et des machines pesant environ 35 tonnes pour un petit bâtiment.

Une nouvelle structure supraconductrice pour un champ magnétique plus puissant

Le noyau du nouveau système est très compact, une caractéristique qui fait son succès. Assez petit pour tenir dans un verre, il ne pèse que 390 grammes et ressemble un peu à une pile de disques plats enveloppés dans de minces bandes de métal. Les bandes sont fabriquées à partir d’un métal appelé oxyde de cuivre, de baryum et de terre rare (REBCO), en remplacement de l’alliage à base de niobium utilisé dans son aimant hybride 45 T.

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Schéma décrivant la structure du nouvel aimant supraconducteur mis au point par les chercheurs de l’étude. Crédits : Seungyong Hahn et al. 2019

L’alliage à base de niobium contenu dans les bandes REBCO des aimants 45 T et 45.5 T peut conduire un courant électrique avec pratiquement aucune résistance, ce qui les aide à générer des champs magnétiques puissants.

L’un des problèmes avec les circuits supraconducteurs conventionnels est que, lorsqu’ils chauffent, ils peuvent souffrir d’un saut soudain dans la résistance, appelé atténuation. Toute faille ou déviation sur leur chemin entraîne la perte de la supraconduction, interrompant le flux.

Les bandes minces de REBCO contournent ce problème en abandonnant l’isolation, ce qui permet au courant parcourant n’importe quelle section de changer rapidement de voie en cas d’interruption. « Le fait que les spires de la bobine ne soient pas isolées les unes des autres signifie qu’elles peuvent partager le courant très facilement et efficacement afin de contourner l’un de ces obstacles » explique le physicien des matériaux David Larbalestier.

Un record d’intensité prometteur pour de nombreuses applications

Ces bandes étroitement enroulées dissipent également la chaleur qui pourrait interférer avec le flux d’électrons à faible résistance, ce qui permet aux concepteurs de déloger les conducteurs thermiques en cuivre habituels et de réduire encore le volume. Un supraconducteur plus étroit et plus efficace permet à cette innovation d’extraire un champ magnétique encore plus puissant.

Dans cette vidéo, les chercheurs expliquent comment ils ont développé le nouvel aimant supraconducteur :

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Le supraconducteur à 45 T ne pouvait générer que 11.4 teslas. Lorsqu’il était associé à un électroaimant « résistif » de plus grande variété produisant un champ de 33.6 teslas, il atteignait son ancienne limite record. Associée à un aimant résistif de 31.1 teslas et immergée dans une chambre d’hélium liquide, la version la plus récente basée sur la REBCO de l’équipe a atteint 14.4 teslas, ce qui constitue un nouveau record.

L’ancienne configuration hybride est toujours officiellement l’aimant le plus puissant. Cette nouvelle version ne semble prometteuse que dans les essais. La question de savoir jusqu’où nous pouvons aller est toujours une question ouverte. Ces types d’aimants ont des applications dans un large éventail de domaines, du diagnostic médical à la recherche en physique des particules.

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« Nous ouvrons vraiment une nouvelle porte. Cette technologie offre un très bon potentiel pour changer complètement les horizons des applications de haut champ en raison de sa nature compacte » conclut Seungyong Hahn, ingénieur, qui a conçu le design du nouvel aimant.

Sources : Nature

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