La chute libre des aimants dans les tubes supraconducteurs

Selon des physiciens brésiliens, un aimant en chute libre à l'intérieur d'un tube supraconducteur ne doit rencontrer aucune force électromagnétique susceptible de le freiner. C'est exactement l'opposé de ce qui se passe lorsqu'un professeur de physique effectue une démonstration devant sa classe avec un tube fabriqué à partir d'un conducteur normal tel que le cuivre.

Les lois de Faraday et de Lenz peuvent être démontrées en laissant tomber un puissant aimant de néodymium dans un tube de cuivre. L'aimant met environ 25 secondes à tomber d'une hauteur de deux mètres (un objet non magnétique met moins d'une seconde). Mais comment l'aimant se comporte-t-il dans un tube supraconducteur ? Yan Levin et Felipe Rizzato de l'université fédérale brésilienne de Rio Grande do Sul ont la réponse: l'aimant tombe en chute libre (la longueur du tube doit être plus longue que son rayon). Mais l'expérience doit être conduite adroitement parce que les calculs suggèrent qu'il faut amener l'aimant à l'intérieur du tube.


Levin explique que l'aimant induit des courants électriques dans les parois du tube supraconducteur, qui produisent à leur tour un champ magnétique à l'intérieur du tube. Cependant, la nature symétrique du champ magnétique fait qu'il n'exerce aucune force sur l'aimant. Ceci reste vrai même lorsque l'aimant est en mouvement car l'absence de résistance électrique dans le tube fait que le champ magnétique symétrique suit simplement l'aimant lorsqu'il tombe avec une dispersion nulle d'énergie cinétique.

Selon Levin, la chute libre doit se produire dans des tubes constitués de conducteurs idéaux et de supraconducteurs, qui ont des propriétés magnétiques fondamentalement différentes. Il précise que dans le cas de supraconducteurs du type II normaux, d'autres effets tels que "flux-pinning" du champ magnétique, non pris en considération dans les calculs, interviennent et peuvent avoir comme conséquence une petite force de freinage.

Cette chute libre semble contredire des calculs antérieurs des chercheurs brésiliens, qui suggéraient que l'aimant ne devrait pas se déplacer du tout à l'intérieur d'un tube en matériau supraconducteur. Pour les tubes constitués de conducteurs conventionnels tels que le cuivre, la force de freinage sur un aimant est proportionnelle à sa vitesse et l'aimant atteint très rapidement sa vitesse finale à l'intérieur du tube. Les calculs prévoient également que cette vitesse est proportionnelle à la résistivité électrique du tube. Les supraconducteurs étant de résistivité nulle, l'aimant devrait rester immobile.

"La physique des deux systèmes est très différente", explique Levin. "Tandis que la résistivité du métal diminue, les courants induits ne diminuent plus aussi rapidement et les effets d'auto-induction ne peuvent plus être ignorés, ce que nous avions fait précédemment". En effet, la vitesse finale devrait avoir une valeur minimum lors du passage d'un tube conducteur normal à un tube conducteur idéal.

Levin et Rizzato ont également conclu qu'un tube supraconducteur de longueur finie est un excellent écran protecteur magnétique, qui pourrait être exploité dans la conception des dispositifs supraconducteurs d'interférences quantiques (SQUID).