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Marine Benoit

le 07.10.2020 à 18h09

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Des chercheurs de l’Université d’Osaka, prolifique en matière de recherche sur les champs magnétiques élevés, sont parvenus à atteindre une force de champ magnétique de l’ordre du mégatesla en soumettant un microtube de plastique sous un faisceau laser. Jusqu’à présent, seules des forces de champs de plusieurs centaines de teslas avaient pu être atteintes.

Avant d’irradier le minuscule tube avec des impulsions laser ultra-intenses, un champ magnétique externe uniforme de l’ordre du kilotesla est “pré-ensemencé”.

Nous ne les percevons pas, mais les champs magnétiques sont présents partout dans notre environnement. Il en existe des naturels, comme ceux que génèrent le noyau de la Terre ou les roches aimantées de la croûte terrestre. D’autres, créés artificiellement, ont donné naissance à tout un tas d’applications du quotidien : cassettes à bande, serrures magnétiques, plaques à induction ou encore imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM).

Tous ces objets ont bien sûr des forces bien en deçà de celles que cherchent aujourd’hui à atteindre les physiciens et ingénieurs en laboratoire. Pour comparaison, le champ d’induction magnétique terrestre vaut environ 0,5 gauss en France, quand la force magnétique nécessaire pour faire fonctionner un système d’IRM en milieu hospitalier, elle, doit atteindre les 15.000 à 30.000 gauss (1,5 à 3 teslas – bien que l’aimant du futur IRM Iseult ait atteint un record de 11,7 teslas). Il faudra en revanche des aimants et des bobines capables de créer un champ de 50.000 gauss (5 teslas) pour faire avancer un train à sustentation magnétique, annoncé comme le futur remplaçant de nos trains sur rails, et une force magnétique totale d’environ 300.000 gauss (30 teslas) pour confiner le plasma d’un réacteur nucléaire à fusion comme Iter.

Parallèlement, des records de puissance de champs statiques ont été régulièrement battus ces dernières années par des électro-aimants supraconducteurs dans des cadres expérimentaux. On doit le dernier en date, atteint en juin 2019, à une équipe du Laboratoire national des champs magnétiques élevés (MagLab), en Floride. Celle-ci a réussi à créer un électro-aimant miniature d’une intensité magnétique de 45,5 teslas ! Du haut de ses cinq petits centimètres pour à peine 400 grammes, leur petite bobine dépassait ainsi une limite atteinte vingt ans plus tôt au sein du même laboratoire : 45 teslas, plus fort champ magnétique jamais généré sur Terre à ce moment-là. Sauf qu’à l’époque, il avait fallu aux chercheurs mettre au point un dispositif de 35 tonnes, alimenté par une puissance monstrueuse, pour y parvenir.

Il est difficile à ce jour de faire mieux que les 45,5 teslas en maintenant le champ de façon continue. Mais pour dépasser cette barre, il est possible d’utiliser un courant transitoire, soit un courant que ne circule que par à-coups afin de ne pas endommager le bobinage. Ainsi, avec cette méthode, des forces de champs de plusieurs centaines de teslas ont pu être atteinte.

Mais un nouveau cap vient d’être franchi. Une publication de Scientific Report en date du 6 octobre 2020 nous apprend qu’une équipe japonaise de l’Université d’Osaka est parvenue à mettre au point une nouvelle technique pour franchir la barre du mégatesla, soit 105 teslas. “Bien que les interactions laser-solide prédisent numériquement les champs magnétiques inférieurs ou égaux à quelques centaines de kiloteslas, le champ magnétique le plus élevé observé expérimentalement à ce jour est de l’ordre du kilotesla (kT)”, écrit Masakatsu Murakami dans son étude.

Il n’existe que peu d’endroits où une telle puissance de champ magnétique peut être atteinte. À vrai dire, seulement deux à notre connaissance : dans les étoiles à neutrons et les trous noirs. Pourtant, l’irradiation d’un minuscule microtube de plastique, pas plus épais qu’un dixième de cheveu, a permis d’atteindre théoriquement cette force.  

Baptisé “implosion de microtube” (“microtube implosion”), le dispositif de l’équipe de Masakatsu Murakami consiste à produire des électrons ultra-chauds par impulsion laser. Ces derniers permettent alors aux ions froids de la surface de la paroi interne d’imploser vers l’axe central, tout en sachant que le dispositif a été “pré-ensemencé” avec un champ magnétique de l’ordre du kilotesla. Les deux types de particules chargées finissant par tourner ensemble autour de l’axe central à une vitesse proche de celle de la lumière, des courants de spin d’une intensité inédite (environ 1.015 ampères/cm2 sur l’axe de la cible) sont produits et génèrent ainsi des champs magnétiques de l’ordre du mégatesla. 

Illustration du principe de l’implosion de microtube, dans laquelle les particules chargées tournoient autour d’un axe central à la vitesse de la lumière. Crédits : M. Murakami/Université d’Osaka

Les résultats obtenus par cette équipe ouvrent assurément un peu plus le champ des possibles dans de nombreux domaines, à commencer par l’énergie de fusion nucléaire, l’électrodynamique quantique, la sciences des matériaux en général ou encore l’astrophysique.

Nous ne les percevons pas, mais les champs magnétiques sont présents partout dans notre environnement. Il en existe des naturels, comme ceux que génèrent le noyau de la Terre ou les roches aimantées de la croûte terrestre. D’autres, créés artificiellement, ont donné naissance à tout un tas d’applications du quotidien : cassettes à bande, serrures magnétiques, plaques à induction ou encore imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM).

Tous ces objets ont bien sûr des forces bien en deçà de celles que cherchent aujourd’hui à atteindre les physiciens et ingénieurs en laboratoire. Pour comparaison, le champ d’induction magnétique terrestre vaut environ 0,5 gauss en France, quand la force magnétique nécessaire pour faire fonctionner un système d’IRM en milieu hospitalier, elle, doit atteindre les 15.000 à 30.000 gauss (1,5 à 3 teslas – bien que l’aimant du futur IRM Iseult ait atteint un record de 11,7 teslas). Il faudra en revanche des aimants et des bobines capables de créer un champ de 50.000 gauss (5 teslas) pour faire avancer un train à sustentation magnétique, annoncé comme le futur remplaçant de nos trains sur rails, et une force magnétique totale d’environ 300.000 gauss (30 teslas) pour confiner le plasma d’un réacteur nucléaire à fusion comme Iter.

Parallèlement, des records de puissance de champs statiques ont été régulièrement battus ces dernières années par des électro-aimants supraconducteurs dans des cadres expérimentaux. On doit le dernier en date, atteint en juin 2019, à une équipe du Laboratoire national des champs magnétiques élevés (MagLab), en Floride. Celle-ci a réussi à créer un électro-aimant miniature d’une intensité magnétique de 45,5 teslas ! Du haut de ses cinq petits centimètres pour à peine 400 grammes, leur petite bobine dépassait ainsi une limite atteinte vingt ans plus tôt au sein du même laboratoire : 45 teslas, plus fort champ magnétique jamais généré sur Terre à ce moment-là. Sauf qu’à l’époque, il avait fallu aux chercheurs mettre au point un dispositif de 35 tonnes, alimenté par une puissance monstrueuse, pour y parvenir.

Il est difficile à ce jour de faire mieux que les 45,5 teslas en maintenant le champ de façon continue.

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Source: https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/particules/une-puissance-de-champ-magnetique-egale-a-celle-d-une-etoile-a-neutrons-generee-en-laboratoire_148164

Magnetic field, Magnetism

World news – FR – Une puissance de champ magnétique égale à celle d’une étoile à neutrons générée en laboratoire

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