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Certaines vidéos sur Internet montrent quelque chose appelé « lévitation quantique ». Qu’est-ce que c’est ? Comment cela fonctionne-t-il ? Pourrons-nous avoir des voitures volantes ?
La lévitation quantique, comme on l’appelle, est un processus par lequel les scientifiques utilisent les propriétés de la physique quantique pour faire léviter un objet (plus précisément un supraconducteur) sur une source magnétique (plus précisément une piste de lévitation quantique conçue à cet effet).
La science de la lévitation quantique
La raison pour laquelle cela fonctionne est ce qu’on appelle l’effet Meissner et l’épinglage du flux magnétique. L’effet Meissner veut qu’un supraconducteur dans un champ magnétique expulse toujours le champ magnétique à l’intérieur de celui-ci, et donc courbe le champ magnétique autour de lui. Le problème est une question d’équilibre. Si vous placiez un supraconducteur sur un aimant, le supraconducteur flotterait hors de l’aimant, un peu comme si vous essayiez d’équilibrer deux pôles magnétiques sud de barreaux magnétiques l’un contre l’autre.
Le processus de lévitation quantique devient beaucoup plus intrigant grâce au processus d’épinglage du flux, ou verrouillage quantique, décrit ainsi par le groupe des supraconducteurs de l’université de Tel-Aviv :
Superconductivité et champ magnétique [sic] ne s’aiment pas. Lorsque cela est possible, le supraconducteur expulse tout le champ magnétique de l’intérieur. C’est l’effet Meissner. Dans notre cas, comme le supraconducteur est extrêmement mince, le champ magnétique NE pénètre PAS. Cependant, il le fait en quantités discrètes (c’est de la physique quantique après tout !) appelées tubes de flux. à l’intérieur de chaque tube de flux magnétique, la supraconductivité est localement détruite. Le supraconducteur essaie de maintenir les tubes magnétiques dans les zones faibles (par exemple, les joints de grains). Tout mouvement spatial du supraconducteur entraîne le déplacement des tubes de flux. Les termes « lévitation quantique » et « verrouillage quantique » ont été inventés pour ce processus par Guy Deutscher, physicien de l’université de Tel Aviv et l’un des principaux chercheurs dans ce domaine.
L’effet Meissner
Réfléchissons à ce qu’est réellement un supraconducteur : c’est un matériau dans lequel les électrons peuvent circuler très facilement. Les électrons circulent dans les supraconducteurs sans résistance, de sorte que lorsque les champs magnétiques s’approchent d’un matériau supraconducteur, celui-ci forme de petits courants à sa surface, annulant le champ magnétique entrant. Il en résulte que l’intensité du champ magnétique à l’intérieur de la surface du supraconducteur est précisément nulle. Si vous cartographiiez les lignes de champ magnétique net, vous constateriez qu’elles se courbent autour de l’objet.
Mais comment cela la fait-il léviter ?
Lorsqu’un supraconducteur est placé sur une piste magnétique, l’effet est que le supraconducteur reste au-dessus de la piste, étant essentiellement repoussé par le fort champ magnétique à la surface de la piste. Il y a bien sûr une limite à la distance à laquelle il peut être poussé au-dessus de la piste, puisque la puissance de la répulsion magnétique doit contrecarrer la force de gravité.
Un disque d’un supraconducteur de type I démontrera l’effet Meissner dans sa version la plus extrême, qui est appelée « diamagnétisme parfait », et ne contiendra aucun champ magnétique à l’intérieur du matériau. Il lévitera, car il tente d’éviter tout contact avec le champ magnétique. Le problème est que la lévitation n’est pas stable. L’objet en lévitation ne reste normalement pas en place. (Ce même processus a permis de faire léviter des supraconducteurs dans un aimant en plomb concave en forme de bol, dans lequel le magnétisme pousse de façon égale de tous les côtés).
Pour être utile, la lévitation doit être un peu plus stable. C’est là que le verrouillage quantique entre en jeu.
Tubes à flux
L’un des éléments clés du processus de verrouillage quantique est l’existence de ces tubes de flux, appelés « vortex ». Si un supraconducteur est très mince, ou si le supraconducteur est un supraconducteur de type II, il coûte moins d’énergie au supraconducteur pour permettre à une partie du champ magnétique de pénétrer dans le supraconducteur. C’est pourquoi les tourbillons de flux se forment, dans des régions où le champ magnétique peut, en fait, « glisser à travers » le supraconducteur.
Dans le cas décrit par l’équipe de Tel-Aviv ci-dessus, ils ont pu faire pousser une fine pellicule de céramique spéciale sur la surface d’une plaquette. Une fois refroidi, ce matériau céramique est un supraconducteur de type II. En raison de sa minceur, le diamagnétisme présenté n’est pas parfait… ce qui permet la création de ces tourbillons de flux traversant le matériau.
Des tourbillons de flux peuvent également se former dans les supraconducteurs de type II, même si le matériau supraconducteur n’est pas aussi fin. Le supraconducteur de type II peut être conçu pour améliorer cet effet, appelé « pinning de flux amélioré ».
Verrouillage quantique
Lorsque le champ pénètre dans le supraconducteur sous la forme d’un tube de flux, il coupe essentiellement le supraconducteur dans cette région étroite. Imaginez chaque tube comme une minuscule région non supraconductrice au milieu du supraconducteur. Si le supraconducteur se déplace, les tourbillons de flux se déplaceront. Mais rappelez-vous deux choses :
- les tourbillons de flux sont des champs magnétiques
- le supraconducteur crée des courants pour contrer les champs magnétiques (effet Meissner)
Le matériau supraconducteur lui-même crée une force qui empêche toute sorte de mouvement en relation avec le champ magnétique. Si vous inclinez le supraconducteur, par exemple, vous le « verrouillerez » ou le « piégerez » dans cette position. Il fera le tour de toute une piste avec le même angle d’inclinaison. Ce processus de verrouillage du supraconducteur en place par sa hauteur et son orientation réduit toute oscillation indésirable (et est également visuellement impressionnant, comme le montre l’université de Tel Aviv).
Vous pouvez réorienter le supraconducteur dans le champ magnétique parce que votre main peut appliquer beaucoup plus de force et d’énergie que ce que le champ exerce.
Autres types de lévitation quantique
Le processus de lévitation quantique décrit ci-dessus est basé sur la répulsion magnétique, mais d’autres méthodes de lévitation quantique ont été proposées, dont certaines sont basées sur l’effet Casimir. Là encore, cela implique une curieuse manipulation des propriétés électromagnétiques du matériau, il reste donc à voir dans quelle mesure elle est pratique.
L’avenir de la lévitation quantique
Malheureusement, l’intensité actuelle de cet effet est telle que nous n’aurons pas de voitures volantes avant un certain temps. De plus, il ne fonctionne que sur un champ magnétique puissant, ce qui signifie que nous devrions construire de nouvelles routes à piste magnétique. Cependant, il existe déjà des trains à lévitation magnétique en Asie qui utilisent ce procédé, en plus des trains à lévitation électromagnétique (maglev) plus traditionnels.
Une autre application utile est la création de roulements vraiment sans frottement. Le roulement serait capable de tourner, mais il serait suspendu sans contact physique direct avec le boîtier environnant, de sorte qu’il n’y aurait pas de frottement. Il y aura certainement des applications industrielles pour cela, et nous resterons attentifs aux nouvelles.
La lévitation quantique dans la culture populaire
Si la vidéo initiale de YouTube a été largement diffusée à la télévision, l’une des premières apparitions de la culture populaire de la lévitation quantique réelle a eu lieu dans l’épisode du 9 novembre de The Colbert Report de Stephen Colbert, une émission satirique de comédie politique de Comedy Central. Colbert a fait venir le scientifique Dr Matthew C. Sullivan du département de physique de l’université d’Ithaca. Colbert a expliqué à son public la science derrière la lévitation quantique de cette manière :
Comme vous le savez sans doute, la lévitation quantique est un phénomène par lequel les lignes de flux magnétique traversant un supraconducteur de type II sont bloquées en place malgré les forces électromagnétiques qui agissent sur elles. J’ai appris cela de l’intérieur d’une capsule Snapple, puis j’ai fait léviter une mini tasse de sa glace Americone Dream de Stephen Colbert. Il a pu le faire parce qu’ils avaient placé un disque supraconducteur au fond de la coupe de glace (désolé d’avoir abandonné le fantôme, Colbert. Merci au Dr. Sullivan de nous avoir parlé de la science qui se cache derrière cet article).
