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Supraconductivité, design et lévitation : une interview de Julien Bobroff

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Cent ans après la découverte de la supraconductivité  par le Hollandais Heike Kamerlingh Onnes, des étudiants en design et des physiciens se sont réunis autour du phénomène de la lévitation supraconductrice. Résultat : un étonnant site et une exposition, baptisés SupraDesign. Venez la découvrir avec Julien Bobroff, professeur à l'université Paris Sud et responsable au CNRS de l'organisation de l'Année de la supraconductivité 2011.

Des bijoux qui flottent sur votre peau sans vous toucher ? Ce sera peut-être possible un jour grâce aux supraconducteurs. © ENSCI-Supradesign

Le 8 avril 1911, le Hollandais Heike Kamerlingh Onnes mesurait avec son assistant Gilles Holst la résistance électrique du mercure refroidi par de l'hélium liquide. Ce jour-là, ils découvrent la supraconductivité en observant qu'à 4,2 kelvins la résistivité du mercure est nulle.

Le phénomène va passionner des générations entières de chercheurs et des théoriciens de premier calibre s'attaqueront à sa compréhension comme Lev Landau et Richard Feynman. Ce n'est que grâce à la mécanique quantique, avec la fameuse théorie BCS, que l'on comprendra enfin les événements se déroulant dans les supraconducteurs dits conventionnels.

De nos jours, les supraconducteurs sont présents dans de nombreux domaines. On peut citer l'électronique, l'imagerie médicale, les aimants du LHC, les Squids, des capteurs magnétiques ultrasensibles et l'on spécule même sur les propriétés supraconductrices du vide ou d'éventuelles cordes cosmiques.

Devant les propriétés remarquables des supraconducteurs (permettre de transporter de l'énergie électrique sans perte ou de générer de puissants champs magnétiques par exemple), on se mit à rêver d'une technologie nouvelle, utilisable dans la vie de tous les jours.

Il faudrait pour cela que la supraconductivité puisse être obtenue non pas avec des matériaux refroidis à quelques kelvins mais à température ambiante ou presque. L'espoir d'obtenir rapidement cette technologie grandit en 1986 avec la découverte des supraconducteurs à hautes températures critiques par Georg Bednorz et Alex Müller. On cherche depuis lors à comprendre ces matériaux, tels les cuprates, dans lesquels une phase supraconductrice apparaît à « seulement » quelques dizaines de kelvins.


Vidéo sur la découverte de la supraconductivité et ses applications. © CNRS Images/INP/Université Paris-Diderot

Pour pénétrer en douceur dans le monde fascinant de la supraconductivité et se familiariser avec des concepts importants pour comprendre le phénomène, c'est-à-dire l'effet Meissner et les paires de Cooper, la vidéo ci-dessus est un bon début. Pour aller plus loin il existe une excellente conférence de Julien Bobroff, physicien au laboratoire de Physique des solides de l'université Paris XI, consultable en ligne sur le site de l'université Rennes 2.

Avec ses collègues, il a également mis en ligne un site incontournable pour tout savoir sur la supraconductivité, où en est la recherche à son sujet, les applications modernes et les événements organisés en France pour célébrer les 100 ans de la supraconductivité.

Surtout, Julien Bobroff est à l'origine de SupraDesign, un site Web et une exposition se tenant du 6 septembre au 19 novembre 2011 à l'espace Pierre Gilles de Gennes-ESPCI ParisTech à Paris et qui sera installée à la Cité des Sciences à Paris dans le cadre du Festival supra pendant les vacances de la Toussaint (du 22 octobre au 2 novembre).


Si la lévitation supraconductrice fonctionne un jour à température ambiante, on pourra imaginer de nouveaux bijoux en lévitation, guidés par des crèmes magnétiques. Le bijou n'a plus de contact avec le corps et semble n'être retenu que par son ombre portée. © ENSCI-Supradesign/YouTube

Il a bien voulu répondre aux questions de Futura-Sciences au sujet de ce projet pour lequel des physiciens et des étudiants en design de l'École nationale supérieure de création industrielle (ENSCI-Les Ateliers) ont imaginé ensemble où pouvaient mener les chemins ouverts par les supraconducteurs et leurs propriétés uniques de lévitation.

Futura-Sciences : Comment vous êtes-vous trouvé impliqué dans le projet SupraDesign ?

Julien Bobroff : Le CNRS m'a chargé de la mission d'organiser l'Année de la supraconductivité. Il s'agissait de profiter du centenaire de la découverte de la supraconductivité le 8 avril 1911, par Kamerlingh Onnes, pour montrer au grand public l'importance de ce phénomène qui reste un domaine actif de recherches profondes en physique fondamentale et la richesse de ses applications technologiques.

La supraconductivité a déjà des applications très concrètes dans notre vie puisque les filtres les plus performants disponibles pour les antennes relais des téléphones portables utilisent des supraconducteurs. Il existe aussi deux techniques d'imagerie médicale qui font appel à la supraconductivité : l'imagerie par résonance magnétique et la magnétoencéphalographie.

Le physicien Julien Bobroff dans son laboratoire. © B. Rajeau, Photothèque CNRS-2011

Vous vous êtes donc tourné pour cela vers l'École nationale supérieure de création industrielle (ENSCI-Les Ateliers) ?

Julien Bobroff : Oui, l'un des phénomènes les plus frappants associés à la supraconductivité est celui de la lévitation magnétique. Il s'agit d'une lévitation bien différente de celle qui pourrait se produire avec de simples aimants qui se repoussent. Je me suis dit que ce serait une bonne idée de proposer à des designers de réfléchir sur des présentations pédagogiques de ce phénomène et de la supraconductivité, basées sur le design. Je leur ai demandé de réfléchir aussi à ce qui pourrait se passer dans notre vie quotidienne si l'on découvrait un jour le moyen de rendre supraconducteurs des matériaux à température ambiante, ce que l'on ne sait toujours pas faire.

Quelles ont été les réactions des responsables de l’ENSCI ?

Julien Bobroff : Ils se sont montrés très intéressés car ils cherchaient justement à établir des partenariats avec la communauté scientifique afin que leurs étudiants puissent comprendre le monde de la recherche et la méthode scientifique, avec pour but de pouvoir y appliquer leur compétence en relation avec le design justement.

Comment cela s’est-il passé concrètement ? 

Julien Bobroff : Un groupe d'étudiants d'années différentes a été constitué, encadré par des designers. Ils sont venus visiter mon laboratoire à plusieurs reprises et je leur ai fait des démonstrations avec des supraconducteurs. Je leur ai appris à utiliser l'azote liquide pour faire des manipulations avec des supraconducteurs, ainsi que des rudiments de physique quantique pour qu'ils comprennent les bases du phénomène de la supraconductivité, par exemple la dualité onde-corpuscule. Ils ont réfléchi et travaillé en faisant des expériences concrètes pendant trois mois. Les élèves disposaient d'ailleurs, par exemple, de machines outils pour concrétiser leurs idées.

Comme je vous l'ai dit, ces idées devaient tourner autour de deux axes. Comment expliquer la supraconductivité au grand public en utilisant des objets de design et à quoi ressemblerait le futur avec des objets de la vie quotidienne utilisant des supraconducteurs à température ambiante, c'est-à-dire sans avoir besoin de les refroidir avec de l'azote ou de l'hélium liquide.

Une vidéo montre d'ailleurs une partie du travail réalisé avec les étudiants pendants ces quelques mois.


Si la supraconductivité existe à température ambiante, imaginons-la près du corps, dans des accessoires de sport. Un sac à dos qui ne frotte plus, des semelles lévitantes ou des genouillères sans contact avec la peau ? Peut-être un jour, grâce aux textiles supraconducteurs... © ENSCI-Supradesign/YouTube

Le résultat final est donc aujourd'hui présenté dans les vidéos du site SupraDesign, dont l'une des plus spectaculaires est celle intitulée « No contact ». On est quand même surpris : comment peut-on fixer un sac à dos sur son t-shirt à l'aide d'aimants et sans qu'il nous touche ? Comment marcher en lévitation grâce à des semelles supraconductrices ?

Julien Bobroff : Cela ne serait effectivement pas possible avec des aimants normaux, car il faut non seulement que les parties de ces objets se repoussent magnétiquement mais qu'elles restent accrochées. Les supraconducteurs sont des aimants très particuliers faisant intervenir l'effet Meissner. Un aimant classique est alors piégé par un aimant supraconducteur. Il reste accroché de façon vraiment stable tout en restant à environ 1 cm. On peut ainsi faire léviter des poids de plusieurs kilogrammes.

On a demandé aux étudiants de réfléchir sérieusement à des applications vraiment réalisables. Ainsi, la possibilité de fixer des aimants aux tissus d'une chaussette pour marcher en lévitation au-dessus de semelles supraconductrices a été étudiée de façon pratique, sans disposer de véritables aimants surpraconducteurs à température ambiante cependant.

Du point de vue de l’axe pédagogique, il y a aussi « Supracircus » ?

Julien Bobroff : Effectivement, il s'agissait là d'illustrer différents aspects du phénomène de la supraconductivité avec une mallette pédagogique où des animaux de cirque issus du monde supraconducteur, une fois emplis d'azote liquide, se balancent, sont catapultés, dansent et jouent les acrobates en illustrant dans chaque scénette un phénomène physique différent. Il y a bien sûr la lévitation magnétique. On constate aussi la possibilité de permettre le déplacement d'objets supraconducteurs en lévitation sur une piste en limitant les frottements au maximum (c'est plus ou moins le principe du Maglev japonais). Et que l'on peut retourner une pastille supraconductrice avec un aimant qui, lui, reste accroché en suspension au-dessus du sol.


Un cirque où des animaux issus du monde supraconducteur sont mis en situation. Une fois emplis d'azote liquide, ils se balancent, sont catapultés, dansent et jouent les acrobates grâce à leurs pastilles supraconductrices. © ENSCI-Supradesign/YouTube

Du point de vue plus théorique, sait-on expliquer ce qui se passe dans les supraconducteurs à hautes températures critiques comme les cuprates ?

Julien Bobroff : Non, la seule chose que l'on sache avec certitude c'est que la théorie BCS, qui fonctionne très bien avec les supraconducteurs conventionnels, ne s'applique pas à ces supraconducteurs. Le vrai problème est de comprendre comment se forment les paires de Cooper.  Une nouvelle piste a émergé récemment avec des supraconducteurs basés sur des atomes de fer, les pnictures. Le magnétisme interviendrait pour coller ensemble deux électrons. On se demande finalement si cette explication ne s'appliquerait pas aussi aux autres supraconducteurs non conventionnels.

Une question en rapport avec le film Avatar de James Cameron. On voit flotter sur Pandora à plus de 100 m des montagnes censées contenir des supraconducteurs à température ambiante. Pure science-fiction ou pourrait-on aussi imaginer un jour des objets flottants dans le champ magnétique terrestre ?

Julien Bobroff : Pour faire flotter les montagnes Hallelujah d'Avatar à 100 m il faudrait disposer d'un champ magnétique de 10.000 teslas. Sur Terre, en laboratoire, on atteint tout juste les 100 teslas... Autant dire que les champs magnétiques régnant sur Pandora sont plutôt ceux que l'on pourrait trouver au cœur d'une étoile à neutrons ! Surtout, avec une telle intensité de champ magnétique, la matière normale exploserait. Il y a un autre problème : pour que l'effet Meissner soit capable de faire flotter un des blocs rocheux du film de Cameron, le champ magnétique doit varier rapidement dans l'espace, ce qui n'est pas ce que l'on observe sur Terre, par exemple.