Grâce à une conception intelligente, les chercheurs ont résolu l’amortissement des courants de Foucault dans les systèmes de lévitation macroscopique, ouvrant la voie à un large éventail de technologies de détection.
La lévitation est depuis longtemps recherchée par les magiciens de la scène et les physiciens. Pour le public, la vue d’objets flottant dans les airs est merveilleuse. Pour les scientifiques, c'est un moyen puissant d'isoler les objets des perturbations extérieures.
Ceci est particulièrement utile dans le cas des rotors, car leur couple et leur moment cinétique, utilisés pour mesurer la gravité, la pression des gaz, l'impulsion, entre autres phénomènes de la physique classique et quantique, peuvent être fortement influencés par la friction. La suspension libre du rotor pourrait réduire considérablement ces perturbations, et maintenant, des chercheurs de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST) ont conçu, créé et analysé un tel dispositif macroscopique, apportant la magie de la lévitation quasi sans friction sur Terre grâce à une ingénierie de précision.
Les appareils à micro-échelle utilisant la lévitation optique ou électrique nécessitent des configurations extrêmement sophistiquées et sont très sensibles aux facteurs environnementaux. En revanche, les systèmes à grande échelle utilisant la lévitation magnétique à température ambiante sont à la fois plus simples et beaucoup plus résistants à l’environnement, et parce qu’ils sont soumis à la gravité contrairement aux particules atomiques en suspension dans des dispositifs à micro-échelle, ils sont intéressants à la fois pour la gravimétrie pratique et pour la recherche fondamentale sur la frontière entre physique quantique et classique. Cependant, ces configurations ont longtemps été entravées par ce que l’on appelle l’amortissement par courants de Foucault.
Dans une étude maintenant publiée dans Physique des communicationsles membres de l'unité Quantum Machines de l'OIST ont mis au point une solution élégante.
Daehee Kim, Ph.D. étudiant de l'unité et premier auteur de l'article, explique : « Avec un disque de graphite d'un centimètre et quelques aimants de terres rares, nous avons démontré expérimentalement et prouvé analytiquement comment créer un rotor à lévitation diamagnétique qui ne subit aucun amortissement par courants de Foucault grâce à la symétrie axiale. Si nous pouvons ralentir suffisamment sa rotation, son mouvement entrera dans le régime quantique, ce qui pourrait ouvrir une toute nouvelle plate-forme pour la recherche quantique.
Renverser la situation face aux courants de Foucault
Lorsqu'un matériau conducteur change de position dans un champ magnétique non uniforme, par exemple en se rapprochant ou en s'éloignant des aimants, des courants de circulation (ou tourbillons) d'électrons se forment à l'intérieur du matériau, créant des champs magnétiques opposés qui résistent au mouvement un peu comme une traînée de friction. Lorsqu'on le souhaite, l'amortissement par courants de Foucault a de nombreuses applications pratiques, comme dans les freins efficaces des outils électriques et des trains à grande vitesse Shinkansen. Mais si l’on veut mesurer des phénomènes physiques à travers le mouvement d’un rotor, ce frottement est problématique.
L'année dernière, les chercheurs de l'unité ont relevé ce défi en fabriquant une plaque carrée à partir de poudre de graphite recouverte de silice et incorporée dans de la cire, qui confinait les courants de Foucault aux grains individuels de poudre plutôt qu'à la plaque entière, réduisant ainsi considérablement l'amortissement des courants de Foucault. Le développement de cette plaque en lévitation a ouvert la voie à des accéléromètres précis, extrêmement sensibles aux phénomènes physiques comme la gravité.
Un dispositif directement basé sur une version antérieure de la conception de l'unité a récemment été envoyé dans l'espace comme preuve de concept pour de futures expériences de lévitation spatiale, telles que l'étude des interactions avec la matière noire et des ondes gravimétriques, entre autres questions de physique fondamentale.
Cependant, la cire utilisée pour combiner la poudre de graphite recouverte de silice a considérablement réduit le pouvoir de lévitation du système, le rendant moins adapté à l'intégration dans d'autres systèmes, car un poids supplémentaire, comme celui d'un miroir utilisé pour suivre sa rotation, peut le perturber.
La nouvelle conception du disque de rotor est fabriquée uniquement à partir de graphite, conservant une forte force de lévitation et supprimant entièrement l'amortissement par courants de Foucault dans un système idéal.
« La conception de la plaque subit un léger amortissement des courants de Foucault lors de ses mouvements de haut en bas, car la force magnétique (ou flux) change, formant des courants de Foucault à l'intérieur des grains de graphite recouverts de silice », explique le professeur Jason Twamley, chef de l'unité et auteur principal de l'étude. « Mais un rotor reste dans le même champ magnétique lorsqu'il tourne autour de son axe central au-dessus des aimants. Il ne subit pas de changement de flux, ce qui élimine donc l'amortissement des courants de Foucault. »
Modélisée par simulations, prouvée mathématiquement et expérimentalement, la précision du système dépend désormais uniquement de l'usinage de la plaque de graphite et des aimants pour obtenir une symétrie axiale idéale, et de la réduction du frottement de l'air en se rapprochant le plus possible d'un vide parfait.
« Grâce aux améliorations pratiques apportées au processus de fabrication, notre rotor en lévitation est parfait pour les capteurs extrêmement précis fonctionnant à l'échelle du millimètre au lieu du nanomètre », résume le professeur Twamley. « Il peut être mis en rotation pour servir de gyroscopes précis et fiables ou mis en rotation – refroidi – dans le régime quantique.
« Nous sommes particulièrement intéressés par ce dernier, car il s'agit d'une plate-forme très prometteuse pour l'étude de phénomènes quantiques tels que la gravité sous vide et la superposition rotationnelle à un niveau macroscopique. »
