Un aimant établit un record mondial à 45.5 Teslas

C’est le champ magnétique continu le plus puissant jamais enregistré et il pourrait aider les scientifiques à étudier la fusion nucléaire et les états exotiques de la matière

Un nouvel électroaimant multicomposant, partiellement supraconducteur – actuellement l’aimant à courant continu le plus puissant du monde, quelle que soit sa nature – est sur le point de révéler une voie vers des aimants encore bien plus puissants. La nouvelle technologie des aimants pourrait aider les scientifiques à étudier de nombreux autres phénomènes, notamment la fusion nucléaire, les états exotiques de la matière, les molécules « changeantes » et les fusées interplanétaires, pour n’en citer que quelques-uns.

Le National High Magnetic Field Laboratory de Tallahassee, en Floride, abrite quatre types d’aimants avancés et ultra puissants. L’un d’eux prend en charge les études de résonance magnétique. Un autre est configuré pour la spectrométrie de masse. Et un autre type produit les champs magnétiques les plus puissants du monde. (Les campus frères MagLab de l’université de Floride et du laboratoire national de Los Alamos fournissent trois autres aimants de grande capacité pour d’autres domaines d’étude.)

C’est cette dernière catégorie sur le campus de Tallahassee – l’aimant le plus puissant du monde – que les dernières recherches tentent de compléter. L’installation de champ continu dite MagLab, en service depuis 1999, approche d’une limite dans la puissance des champs magnétiques qu’elle peut produire avec ses matériaux et sa technologie actuels.

L’aimant continu du MagLab maintient une intensité de champ constante de 45 Tesla, ce qui était jusqu’à très récemment le champ magnétique continu le plus puissant produit dans le monde. (À ne pas confondre avec la marque de voiture électrique du même nom, Tesla est également une unité d’intensité de champ magnétique. Plus son indice Tesla est élevé, plus l’aimant est puissant. À titre de comparaison, une machine IRM typique est construite autour d’un aimant supraconducteur dont l’intensité du champ est d’environ 3 Tesla. Le champ magnétique terrestre, ressenti à la surface de la planète, est de 0,00005 T.)

Le nouvel aimant de recherche devance d’un cheveu l’aimant MagLab DC Field, en maintenant un champ continu de 45,5 T. Mais ce n’est pas le léger avantage en termes de force qui offre une telle promesse, déclare David Larbalestier, scientifique en chef des matériaux au Laboratoire des champs magnétiques.

« Il s’agit d’une tête de pont dans le territoire des 50 Tesla », dit Larbalestier.

Le nouvel aimant, décrit dans une lettre récente à la revue Nature, utilise un matériau supraconducteur à haute température, refroidi aux températures de l’hélium liquide que les supraconducteurs de la vieille école utilisent. Le refroidissement de ce supraconducteur particulier en dessous de sa température critique (la température en dessous de laquelle il perd toute résistivité électrique) augmente en fait sa capacité à gérer des courants plus élevés. Et des courants plus élevés se traduisent, bien sûr, par des champs magnétiques plus élevés.

Les supraconducteurs plus anciens, comme ceux utilisés dans les aimants d’IRM, ne peuvent pas gérer des champs magnétiques qui dépassent 30 Tesla, explique Larbalestier. Les paires d’électrons de Cooper, clés des propriétés supraconductrices quantiques du matériau, deviennent trop instables, de sorte que le supraconducteur perd ses propriétés de résistance nulle et devient comme une autoroute à huit voies immobilisée.

Éviter ce qu’on appelle un « quench » catastrophique est essentiel pour faire fonctionner un aimant supraconducteur pendant de longues périodes. (Les aimants supraconducteurs du Grand collisionneur de hadrons ont tristement souffert de ce problème en 2008.)

« Nous les faisons fonctionner dans de l’hélium liquide, parce que la supraconductivité devient plus forte, plus on descend en température », explique Larbalestier. « Et ce que nous voulons éviter, c’est la destruction de la supraconductivité par le champ magnétique. »

L’autre innovation qui aide l’aimant à éviter ou à réduire la trempe est son absence d’isolation. M. Larbalestier explique qu’un électroaimant typique aurait une isolation électrique entre les couches de ruban supraconducteur.

Mais son groupe a découvert que le ruban non isolé posé couche sur couche – comme plusieurs bandages Ace enroulés autour de la cheville d’un athlète – se comporte un peu comme un supraconducteur épais à une seule couche.

Donc, un obstacle ou une impureté dans le réseau supraconducteur pourrait, dans un morceau de ruban monocouche fabriqué à partir d’oxyde de cuivre baryté terre rare (REBCO), avoir entravé les paires de Cooper et chauffé cette section du supraconducteur au-dessus de la température de transition. Et c’est un quench – ce qui signifie game over pour le champ fort de l’aimant.

L’évitement de l’isolation permet aux paires de Cooper de se dérouter autour d’une impureté dans le réseau, évitant ainsi le quench.

L’équipe de recherche a régulièrement amélioré la capacité de l’aimant à gérer des champs plus forts. (Ils ont également augmenté le champ en plaçant l’aimant supraconducteur à l’intérieur d’un aimant plus grand en cuivre et en argent.)

« Nous sommes toujours intéressés à repousser les avant-postes », dit Larbalestier. « Ainsi, l’intérieur du nouvel aimant utilisateur de 32 T est constitué de ce ruban REBCO. Et nous avons vu l’opportunité d’obtenir de nouvelles variantes de ce ruban… qui étaient très fines – et une nouvelle méthode de construction d’un aimant supraconducteur sans isolation, inventée par l’auteur principal de notre article, Seungyong Hahn. »

Le groupe pense pouvoir itérer sa technologie au moins jusque dans les 50 Teslas d’intensité de champ. Mais Larbalestier ne voit pas de raison claire pour laquelle ils devraient s’arrêter là.

« La véritable signification ici est, c’est une validation de ces supraconducteurs d’oxyde de baryum et de cuivre à terre rare pour une utilisation à très haut champ à basse température », dit-il. « Et je pense que cela dit clairement que la route vers 60 Tesla… est, en principe, maintenant ouverte. »

Ce post a été mis à jour le 18 juin 2019.