Un “tube” capable de « transporter » un champ magnétique statique d’une région à une autre

Le champ magnétique est le vecteur d’une interaction essentielle de notre monde physique. Il intervient, en outre, dans des techniques très répandues comme les machines électriques génératrices d’énergie ou l’enregistrement magnétique. On peut transmettre sur de longues distances à travers guides d’ondes ou fibres optiques les champs magnétiques et électriques oscillants constituant les ondes électromagnétiques. Mais on ne peut le faire avec des champs magnétiques statiques même si l’on sait les concentrer dans des noyaux de fer ou de matériaux ferromagnétiques. En effet, un champ magnétique statique s’atténue très rapidement à distance de sa source (que celle-ci soit un aimant permanent ou un électro-aimant). Des physiciens de l’Université autonome de Barcelone, en Espagne, dirigés par Alvaro Sanchez, ont imaginé et réalisé un “tube magnétique” capable de transporter le champ magnétiques sur de bien plus grandes distances que les noyaux ferromagnétiques habituels. Cela leur a permis de construire un dispositif sphérique analogue à l’hypothétique “trou de ver” des cosmologistes.

Les champs magnétiques statiques sont créés par des aimants permanents ou des circuits parcourus par des courants électriques continus. Ils décroissent en intensité de façon proportionnelle à l’inverse du cube de la distance à leur source.
Les lignes de force du champ magnétique sont des courbes tangentes en chaque point au champ magnétique y régnant. Elles rayonnent à partir des sources du champ.image lignes de force d'un aimant_500
Sur la figure ci-dessus, de la limaille de fer est répandue sur un papier placé sur un barreau aimanté. Les fines aiguilles s’orientent parallèlement au champ magnétique en chaque point. Elles dessinent ainsi les lignes de force du champ. On obtient la même figure avec un bobinage cylindrique, un solénoïde, ayant la taille du barreau et parcouru par un courant constant.
Crédit Wikipedia. C.C.L.

 

Le moyen habituel pour transmettre un champ magnétique statique est d’utiliser un matériau ferromagnétique (FM) comme ceux utilisés dans les noyaux des transformateurs.

Le ferromagnétisme désigne la capacité de certains corps de s’aimanter sous l’effet d’un champ magnétique extérieur et de conserver une partie de cette aimantation. On distingue les ferromagnétiques durs (les aimants permanents) et les ferromagnétiques doux qui ne conservent que peu d’aimantation, ce sont eux qui sont utilisés ici.

 

Les lignes de force du champ magnétique y sont canalisées mais le champ y  décroît toujours très rapidement avec la distance  sa source.

 

La réalisation du “tube magnétique”

Dans un cylindre en matériau ferromagnétique, qui canalise et concentre les lignes de force, la décroissance du champ magnétique subsiste. Elle est due au fait que, le matériau étant isotrope, il existe de fortes valeurs du champ magnétique non seulement dans la direction de l’axe du cylindre mais aussi dans la direction radiale, d’où du champ s’échappe.

Un tube magnétique idéal serait constitué d’un matériau homogène qui ne transmettrait le champ magnétique que le long de son axe et pas du tout latéralement. Cela n’est pas réalisable.

Sanchez et al. ont eu l’idée d’entourer un cylindre ferromagnétique (FM) d’un tube creux en supraconducteur(SC) pour empêcher la fuite du champ magnétique (Fig.1.). qui supprime le champ radial. Ils ont effectué un traitement théorique complet de ce système. Ils se sont inspirés pour cela des méthodes de l’optique de transformation qui ont conduit à la réalisation de cape d’invisibilité dans le domaine optique.

Le principe de base de l’optique de transformation consiste à considérer des déformations et changements d’indice de l’espace qui peuvent transformer le trajet initial de la lumière pour le faire correspondre au trajet désiré. Cela   conduit à la réalisation de “méta-matériaux” par association de plusieurs corps différents. Ceci permet d’obtenir la fonction optique que l’on souhaite, par exemple le contournement d’un objet par la lumière, le rendant ainsi invisible (cape d’invisibilité).

Ces calculs ont montré qu’un système composé de 20 couches SC-FM permettrait d’atteindre une transmission de 90%. Par simplicité, l’équipe a réalisé un modèle à deux couches, un tube supraconducteur rempli d’un cylindre ferromagnétique pour lequel le calcul indiquait une transmission de 75%.

En pratique, ils ont utilisé un ruban en YBCO (oxyde mixte de baryum, de cuivre et d’yttrium) supraconducteur à la température de l’azote liquide (77°K= -196.15 °C).

Les matériaux supraconducteurs, qui peuvent transporter de forts courants, ont pour caractéristique principale d’exclure tout champ magnétique de leur intérieur.
Ceci est illustré par la photographie suivante : un aimant (cube doré) “flotte” au dessus d’un tore supraconducteur. Ce dernier, pour exclure le champ magnétique dû au cube, crée en son sein des courants équivalents à une image inversée du champ créé par le cube qui repousse celui-ci.image aimant flottant_250
Crédit Wikipedia. CCL.

 

Fig. 1. Photos de la construction du tube magnétique de 60 mm de longueur : a) le cylindre ferromagnétique, b, l'enroulement du ruban supraconducteur autour d'une forme plastique, c, le tube magnétique composé de deux couches, le tube ferromagnétique FM interne sur lequel est enroulé le supraconducteur externe. Crédit PRL.

Fig. 1. Photos de la construction du tube magnétique de 60 mm de longueur :
a) le cylindre ferromagnétique, b, l’enroulement du ruban supraconducteur autour d’une forme plastique, c, le tube magnétique composé de deux couches, le tube ferromagnétique FM interne sur lequel est enroulé le supraconducteur externe. . Extrait de” Long-Distance Transfer and Routing of Static Magnetic Fields C. Navau, J. Prat-Camps, O. Romero-Isart, J. I. Cirac, and A. Sanchez PRL, 112, 253901 ( juin 2014)”

 

En utilisant le système décrit Fig.1., les chercheurs ont mesuré avec une sonde à effet Hall le champ aux extrémités des tubes magnétiques.

Fig.2. Graphe montrant (points rouges) le champ magnétique mesuré à l'extrémité de tubes magnétiques de 60 et 140 mm de long lorsqu'un champ magnétique continu est créé par la bobine figurée à gauche des tubes. On a figuré également le calcul théorique du champ magnétique dû à la bobine seule (courbe pourpre) et celui (courbe verte) créé par la bobine équipée du tube ferromagnétique,. Les points bleus sont les champs mesurés à l'extrémité des tubes en présence du supraconducteur seul, les points verts ceux mesurés en présence du tube FM seul. Extrait de" Long-Distance Transfer and Routing of Static Magnetic Fields C. Navau, J. Prat-Camps, O. Romero-Isart, J. I. Cirac, and A. Sanchez PRL, 112, 253901 ( juin 2014)"

Fig.2. Graphe montrant (points rouges) le champ magnétique mesuré à l’extrémité de tubes magnétiques de 60 et 140 mm de long lorsqu’un champ magnétique continu est créé par la bobine figurée à gauche des tubes. On a figuré également le calcul théorique du champ magnétique dû à la bobine seule (courbe pourpre) et celui (courbe verte) créé par la bobine équipée du tube ferromagnétique,. Les points bleus sont les champs mesurés à l’extrémité des tubes en présence du supraconducteur seul, les points verts ceux mesurés en présence du tube FM seul. Extrait de” Long-Distance Transfer and Routing of Static Magnetic Fields C. Navau, J. Prat-Camps, O. Romero-Isart, J. I. Cirac, and A. Sanchez ,  PRL, 112, 253901 ( juin 2014)” avec autorisation de A.P.S..

Cette expérience a confirmé le transfert du champ magnétique à travers des “tubes magnétiques” formés d’une association SC-FM. Le champ transmis par le tube est bien plus élevé que celui transmis par le cylindre FM seul ou encore le tube SC seul qui est quasiment le même que celui transmis dans l’air. En particulier le rapport entre champ transmis par le système et le tube FM seul augmente avec la longueur du tube, ce qui est prédit par la théorie.  Malgré les imperfections des matériaux, le facteur de transmission atteint ici, 20%, inférieur à la valeur théorique, est supérieur de 400% à celui obtenu avec le ferromagnétique seul.

 

Un “trou de ver” magnétique

Le” trou de ver” (en anglais “wormhole”) est, en physique, un objet hypothétique qui relierait deux régions distinctes de l’espace-temps. Un trou de ver formerait un raccourci qui permettrait un passage d’un point A directement à un point B en un temps considérablement réduit par rapport au temps du trajet normal. Cela reste du domaine de l’hypothèse.

L’équipe de Barcelone a réussi à obtenir un analogue magnétique du  “trou de ver” à l’aide de méta-matériaux du type de ceux vus plus haut. Ils ont conçu et réalisé une sphère composée d’une couche supraconductrice entourée d’une couche ferromagnétique.

Ce système   annihile tout champ magnétique extérieur à la sphère pourvu que la couche ferromagnétique ait une perméabilité magnétique particulière dépendant des rayons extérieurs des deux sphères concentriques (cette condition est analogue à celles utilisées pour les méta-matériaux utilisés pour les manipulations de la lumière). On obtient ici une “cape d’invisibilité magnétique” parfaite : à l’exception du champ “transporté à la sortie” on ne peut détecter de champ magnétique à l’extérieur de la sphère alors qu’on en injecte un à l’entrée. Tout se passe comme si le champ magnétique créé par la bobine d’excitation placée à une extrémité de la sphère est scindé en 2 : la partie émise en direction opposée à la sphère est inchangée, la partie dirigée vers l’intérieur de la sphère est transportée à la sortie de celle-ci (Fig.2 a).

Pour parfaire le trou de ver, il faut encore que le champ magnétique se propage à travers la sphère sans trop s’affaiblir. Pour obtenir cela, on a muni la sphère d’un système équivalent à celui du tube magnétique, mais on l’a simplifié en utilisant une fine feuille de matériau ferromagnétique enroulée en spirale. La figure ci-dessous présente les éléments du trou de ver magnétique.

Fig.2 a)Le champ magnétique créé par une bobine (à droite) apparaît à gauche à la sortie du trou de ver magnétique. En dehors de ce point le dispositif sphérique est par ailleurs indétectable magnétiquement: aucun champ n'en provient. b) Vue éclatée du trou de ver formé d'une sphère extérieure ferromagnétique (à gauche, en gris), d'une couche sphérique intérieure supraconductrice (au centre, en jaune) et d'une feuille intérieure de ferromagnétique enroulée en spirale (à droite, en bleu).Tiré de" A Magnetic Wormhole Jordi Prat-Camps, Carles Navau & Alvaro Sanchez, Scientific Reports| 5:12488 | DOI: 10.1038/srep12488, (août 2015)".

Fig.2
a) Le champ magnétique créé vers la gauche par une bobine (à droite) apparaît
à la sortie du trou de ver magnétique. Le dispositif sphérique est par ailleurs indétectable magnétiquement: aucun champ n’en provient.
b) Vue éclatée du trou de ver formé d’une sphère extérieure ferromagnétique (à gauche, en gris), d’une couche sphérique intérieure supraconductrice (au centre, en jaune) et d’une feuille intérieure de ferromagnétique enroulée en spirale (à droite, en bleu). Tiré de” A Magnetic Wormhole Jordi Prat-Camps, Carles Navau & Alvaro Sanchez, Scientific Reports| 5:12488 | DOI: 10.1038/srep12488, (août 2015)”. C.C.L.

L’expérience a montré que le trou de ver sphérique transportait bien un champ magnétique mais de tels résultats peuvent aussis’obtenir avec un ellipsoïde qui pourrait augmenter la distance de transport dans une direction. Ce dispositif et le tube magnétique peuvent être utiles dans des cas où il est nécessaire d’appliquer localement un champ magnétique dans une région où règne une configuration magnétique qu’il faut conserver. Une application de ce type serait un système d’imagerie par résonance magnétique (IRM) où l’aimant à supraconducteur nécessaire pour obtenir le champ magnétique, au lieu d’entourer le patient, serait séparé de celui-ci, à charge pour un tube ou ellipsoïde magnétique d’appliquer localement le champ magnétique nécessaire.

 

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

 

Long-Distance Transfer and Routing of Static Magnetic Fields

  1. Navau, J. Prat-Camps, O. Romero-Isart, J. I. Cirac, and A. Sanchez

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 112, 253901 ( juin 2014)

 

A Magnetic Wormhole

Jordi Prat-Camps, Carles Navau & Alvaro Sanchez

Scientific Reports | 5:12488 | DOI: 10.1038/srep12488, (août 2015)

 

 

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