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Découvert pour la première fois en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, le phénomène de supraconductivité se caractérise par une résistance électrique nulle et l’expulsion d’un champ magnétique, lorsqu’un matériau spécifique est refroidi en dessous de sa température critique. Au cours de ce processus, un phénomène de lévitation quantique apparaît. Comment ce dernier se matérialise-t-il ?

Tous les matériaux connus sont constitués d’atomes, assemblés en molécules ou non au sein de la structure interne. Lorsqu’un champ magnétique externe est appliqué sur un matériau, les atomes et/ou les molécules sont également magnétisés et s’alignent dans la même direction que le champ magnétique en question.

Dans le phénomène du ferromagnétisme, lorsque le champ magnétique est supprimé, la magnétisation interne persiste. C’est ce qui est à l’origine des aimants permanents. Toutefois, la majorité des matériaux ne sont pas sujets au ferromagnétisme. Au contraire, lorsque le champ magnétique est retiré, ils retournent à leur état démagnétisé initial.

Lorsqu’un champ magnétique est appliqué sur un matériau non-ferromagnétique, ce dernier peut exhiber deux phénomènes. Le diamagnétisme, lorsque la magnétisation interne est anti-parallèle au champ magnétique externe, ou le paramagnétisme, lorsqu’elle est parallèle.

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Schémas illustrant les phénomènes du diamagnétisme, du paramagnétisme et du ferromagnétisme. Crédits : Leonadro Ricotti/V. Iacovacci

Il s’avère que tous les matériaux présentent un diamagnétisme, mais certains sont aussi paramagnétiques ou ferromagnétiques. Le diamagnétisme est toujours plus faible, donc si le matériau est à la fois paramagnétique et ferromagnétique, le ferromagnétisme peut facilement l’emporter sur l’effet du diamagnétisme.

Ainsi, lorsque le champ externe est activé ou désactivé — ce qui équivaut, physiquement, à rapprocher ou éloigner un matériau d’un aimant permanent — l’aimantation à l’intérieur du matériau est modifiée. Et il existe une loi physique pour ce qui se passe lorsque le champ magnétique à l’intérieur d’un matériau conducteur est modifié : la loi de Faraday sur l’induction.

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Cette loi indique que la modification du champ à l’intérieur d’un matériau conducteur entraîne la génération d’un courant électrique interne. Ces petits courants générés sont appelés courants de Foucault et s’opposent au changement interne du champ magnétique. À des températures normales, ces courants sont extrêmement temporaires, car ils rencontrent une résistance et disparaissent.

courants foucault materiau

À l’intérieur d’un matériau soumis à un champ magnétique externe variable, de petits courants électriques appelés courants de Foucault se développeront. Normalement, ces courants de Foucault disparaissent rapidement. Mais si le matériau est supraconducteur, il n’y aura pas de résistance et ils persisteront indéfiniment. Crédits : Cedrat Technologies

Qu’en est-il pour les matériaux pouvant léviter ? Ils sont faits de matériaux spécifiques supraconducteurs — dont la résistance électrique est nulle — à très basse température.

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En principe, tout matériau conducteur peut être supraconducteur à des températures suffisamment basses, mais ce qui rend ces supraconducteurs particuliers intéressants, c’est qu’ils peuvent le faire à -196°C : la température de l’azote liquide. Ces températures critiques relativement élevées facilitent la création d’un supraconducteur à faible coût.

Lorsque la température est abaissée au-dessous de la température critique d’un matériau, pour le transformer en supraconducteur, tous les champs magnétiques intérieurs sont expulsés. C’est l’effet Meissner : l’expulsion des champs magnétiques intérieurs. Il transforme fondamentalement un supraconducteur en un aimant diamagnétique (diamagnet) parfait. Des matériaux comme l’aluminium, le plomb ou le mercure se comportent exactement de la sorte lorsqu’ils sont refroidis en dessous de leurs températures critiques.

courants foucault impuretes

Image prise au microscope SQUID à balayage, montrant un film très fin (200 nanomètres) d’oxyde d’yttrium-baryum-cuivre soumis à des températures de l’hélium liquide (4 K) et à un champ magnétique important. Les points noirs sont des tourbillons créés par les courants de Foucault autour des impuretés, tandis que les régions bleues/blanches sont celles où tout le flux magnétique a été expulsé. Crédits : F. S. Wells et al. 2016

Au lieu d’un diamagnet uniforme parfait, imaginons en un avec des impuretés. Si le matériau est refroidi en dessous de la température critique et que son champ magnétique intérieur est modifié, les champs magnétiques intérieurs sont toujours expulsés, à une exception près. Partout où il y a une impureté, le champ persiste. Et comme il ne peut pas pénétrer dans la région expulsée, ces lignes de champ sont coincées dans les impuretés.

Les impuretés sont la clé de ce phénomène de lévitation quantique magnétique. Le champ magnétique est expulsé des régions pures supraconductrices. Mais les lignes de champ pénètrent dans les impuretés, ce qui modifie le champ à l’intérieur et crée ces courants de Foucault. Et c’est là que réside l’essentiel : ces courants de Foucault sont des charges électriques en mouvement, qui ne rencontrent aucune résistance, car le matériau est supraconducteur.

Ainsi, au lieu que les courants décroissent, ils sont maintenus indéfiniment, tant que le matériau reste supraconducteur et à des températures inférieures à celles critiques. Ce sont les courants générés par ces régions impures qui maintiennent le supraconducteur en place et créent un effet de lévitation. Des champs magnétiques externes suffisamment puissants peuvent détruire les effets, mais il existe deux types de supraconducteurs.

Dans les supraconducteurs de type I, l’augmentation de l’intensité du champ détruit la supraconductivité en tout point. Tandis que dans les supraconducteurs de type II, la supraconductivité n’est détruite que dans la région impure. Comme il existe encore des régions où le champ est expulsé, les supraconducteurs de type II peuvent connaître ce phénomène de lévitation.

Cette vidéo illustre le phénomène de lévitation quantique :

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