La quantique, c`est fantastique !

Cahier de la médiation scientifique
La quantique,
c’est fantastique !
Démonstration
Département
Action
Culturelle
2009
1
LA QUANTIQUE
C’EST
FANTASTIQUE !
Préambule
p. 3
Produit et objectifs
p. 4
Avant-propos
p. 5
Déroulement de l’animation
Introduction
p. 6
La course quantique
p. 7
Applications
p. 8
L’électron
p.10
Ondes et corpuscules
p.11
Les supraconducteurs
p.14
Conclusion de l’animation
p.17
Approfondissement
p.18
La course quantique
p.19
La quantique au quotidien
p.23
L’électron est le coupable
p.28
Les supraconducteurs
p.36
A quoi sert la supraconductivité ?
p.41
Les expériences
p.45
Questions-réponses
p.60
Fiche technique : matériel, budget
p.65
Ressources humaines
p.66
Bibliographie, contacts
p.67
Bilan des médiateurs
p.68
Bilan quantitatif
p.69
2
PREAMBULE
Ce cahier de la médiation scientifique est à la fois la
mémoire d'une animation qui peut disparaître puis
réapparaître, et un outil de formation pour permettre son
appropriation par de nouveaux arrivants.
Ce document retrace minutieusement le scénario et
l’historique d’un produit de médiation. Il faut cependant
garder à l’esprit que ce cahier est un support qui a ses
limites : “ animer ”, “ faire une animation ” est un savoirfaire, une expérience humaine difficile à transcrire.
Par conséquent ce cahier n’est pas une notice à suivre à la
lettre mais un accompagnement à la découverte d’un produit
de médiation. Pour s’approprier l’animation, il est
indispensable de la suivre, de la pratiquer et de rencontrer
l’équipe de conception.
Ce cahier comporte trois parties :
-
-
des fiches qui présentent le travail
réalisé dans sa globalité,
des ressources qui regroupent les prérequis nécessaires à la pratique de
l’animation, ainsi que des références
bibliographiques,
des bilans comprenant des remarques
des médiateurs et une analyse issue d’un
travail d’évaluation auprès du public.
3
PRODUIT ET
OBJECTIFS
Titre : La quantique, c’est fantastique
Accroche : (sous-titre éventuel)
Programme d’animation : Atelier présenté à la Cité des sciences et de
l’industrie depuis février 2008 à l’occasion de l’ouverture de l’exposition
Grand Récit de l’Univers
Type : atelier
Publics :
- Public individuel à partir de 10 ans
- groupes scolaires au lycée
- accessibilité possible au public handicapé moteur, aux personnes
sourdes avec interprète
Capacité d’accueil : 30 personnes
Durée : 45 min
Lieu : salle des lumières
Nombre d’intervenants : 1 médiateur CSI
Matériels : Ordinateur+ écran de projecction
Bombonne d’azote
Vase de Dewar
Supra conducteur monté sur un gobelet
Rail d’aimants
Gants et lunettes de protection
Fentes en plexiglace
Faux pistolet
Circuit ampoule-pile-résistance en cuivre
Objectifs :
-
Découvrir le monde étrange de la physique quantique.
Appréhender les effets macroscopiques de la physique quantique
Comprendre la dualité onde-corpuscule des particules en général
et de l’électron en particulier
Montrer des expériences incroyables sur la supraconduction
4
AVANTPROPOS
Nous avons conçu l’animation « La quantique c’est fantastique » à l’occasion d’une
collaboration entre les médiateurs scientifiques de l’équipe d’Alain Secret, de la Cité des
Sciences, et moi-même en 2007-2008, parallèlement à l’arrivé à la Cité de l’exposition Grand
Récit de l’Univers. Cet échange entre chercheurs et médiateurs s’est accompagné de plusieurs
formations, sur la nanophysique, la physique quantique, et la recherche moderne et ses liens
avec l’exposition GRU.
Ces échanges mensuels nous ont permis à tous de nous rendre compte que la physique
quantique est certes complexe et difficile à appréhender avec notre bon sens de tous les jours,
mais que cela n’est pas impossible. Il faut cependant bien s’y préparer avant d’être face au
public, et bien y réfléchir soi même. En effet, nombreuses peuvent être les fausses idées sur le
sujet. Cette animation sur la quantique a été développée pour désacraliser un peu le monde
abstrait et conceptuel de la quantique et montrer que cette physique là fait en réalité partie de
notre quotidien. C’est un point de vue assez opposé à la plus part des livres de vulgarisation et
des articles parus sur le sujet, qui préfèrent en général se concentrer sur ce que la quantique a de
plus étonnant et paradoxal, du chat de Schrödinger au principe d’incertitude.
Ce petit manuel a donc pour objectif d’expliquer en termes simples l’animation et son
contenu aux médiateurs, et de donner quelques éléments qui permettent de répondre aux
questions du public, et de bien utiliser les expériences. J’ai ajouté quelques autres expériences,
qui pourront être développées dans le futur pour des exposés plus longs ou plus ciblés, par
exemple pour les scolaires.
J’en profite pour remercier vivement toute l’équipe des médiateurs en physique : nos
échanges m’ont été formidablement enrichissants, j’ai pu apprendre beaucoup à leur contact sur
ce qu’est le grand public, ses exigences, et sur l’art délicat de savoir lui parler de physique sans
l’ennuyer. Merci en particulier à Géraldine Delaforge sans qui cette animation ne serait rien.
J’espère que nous aurons de nombreuses autres occasions de développer à nouveau ce dialogue
stimulant et indispensable entre chercheurs et médiateurs.
Je reste à la disposition du lecteur pour apporter toute réponse ou explication
supplémentaire à ce qui va suivre. Il suffit de m’envoyer un mail à [email protected]
5
DEROULEMENT
INTRODUCTION
Préparation :
La bombonne d’azote doit avoir été au préalable remplie et amenée sur le lieu d’animation avant
l’ouverture au public.
Sur la table doivent être prêts le circuit ampoule-pile-résistance en cuivre, le rail d’aimants, le
vase de Dewar rempli d’azote, le gobelet supraconducteur, les gants et lunettes de protection,
ainsi que les fentes en plexiglas et le faux pistolet.
Installation du powerpoint
Attention : les bons codecs doivent être présents sur l’ordinateur utilisé pour qu’il n’y ait pas de
problème avec les films.
Déroulement :
Le médiateur se propose d’emmener le public dans le monde étrange et bizarre de la physique
quantique, un monde dans lequel il pourrait être à la fois avec eux et sur la pelouse au soleil,
cela tant que le public ne lui parle pas ou ne le regarde pas…
Nous savons de manière intuitive que si nous lâchons un objet, il tombe. C’est dû à la gravité.
Or pour le savoir nous n’avons pas eu besoin de l’apprendre en cours de physique, nous l’avons
tous expérimenté de manière empirique : dès notre plus jeune âge, nous avons fait tomber notre
biberon, nous sommes tombés nous-mêmes… Et il en va de même pour beaucoup de lois de la
physique classique. Pour la physique quantique, c’est totalement différent, les choses ne sont
pas du tout intuitives, elles paraissent même absurdes, sans logiques et contraires au bon sens.
Pour rejoindre ce monde, pas besoin de changer de planète ou de partir dans la 4ème dimension,
il suffit juste de changer d’échelle et de se mettre à la taille d’un atome : si on rétrécit le public
par 1000, il mesurerait entre 1 et 2 mm, et il ne se passe rien, diminuons sa taille encore par
1000, il n’est plus au milieu d’une salle d’animation mais au milieu d’un globule rouge et il ne
se passe toujours rien, diminuons encore une fois par 1000 notre taille, et là on commence à
sentir des choses étranges, le public est pratiquement à la taille d’un atome (atome d’H 10-10 m).
Pour mieux appréhender ce monde étrange, le médiateur propose de partir aux jeux olympiques
quantiques et d’assister à course de haie qui se passerait à l’échelle quantique.
6
DEROULEMENT
LA COURSE
QUANTIQUE
Le médiateur projette le
film sur la course de haie
et le commente au fur et à
mesure en faisant des
arrêts sur image :
En blanc un coureur qui est resté classique, pour lui pas de surprise, il va s’installer dans les
starting blocks, attendre le coup de feu, courir, sauter les haies, passer la ligne d’arrivée et
éventuellement gagner.
En rouge le coureur animé par les lois de la quantique (les différentes choses étranges qui lui
arrivent se passent simultanément mais les effets ont été séparés afin de rendre les explications
et l’image plus compréhensibles).
Autre exemple pour comprendre la quantification :
Si vous voulez monter au deuxième étage de l’exposition,
Il prend le départ de la course et
en physique classique vous allez prendre la pente
passe par des changements brutaux
accessibilité et à n’importe quel moment vous pourrez
de vitesse. Il est au départ, puis
vous arrêter. Si vous mesurez la distance entre vous et le
directement à 3 km/h, puis à 10 km/h
sol, vous pourrez obtenir toutes les valeurs de manière
puis à 15 km/h sans passer par 1, 2 ni
continue, 3m000, 3m005, 3m015… Mais en physique
4,5,6,7,8,9 km/h. Il n’a pas le droit à
quantique, vous allez passer par les escaliers, les marches
toutes les énergies donc pas à toutes
vont alors déterminer de manière discontinue la hauteur
les vitesses. Son énergie est
entre vous et le sol (des marches qui en plus n’ont pas
quantifiée, elle n’évolue pas de
toutes la même taille).
manière continue.
Notre coureur continue sa haie et après tout pourquoi se fatiguer à sauter les haies alors qu’il
peut passer au travers ! En quantique il y a une probabilité pour que cela se passe alors aucune
raison de ne pas le faire. C’est ce que l’on appelle l’effet tunnel.
On retrouve d’ailleurs ce phénomène dans le monde qui nous entoure : la radioactivité,
phénomènes biologiques…
Enfin, et il s’agit là du phénomène sans doute le plus étrange et sur lequel le médiateur
reviendra le plus par la suite, notre coureur ne se limite plus à son couloir mais s’ « étale » sur
tous les couloirs. On a l’impression ici qu’il se duplique mais en réalité il se répand un peu à la
manière d’un liquide sur tout l’espace à sa disposition (bien que l’on pourrait séparer en 2 un
liquide, ce qui n’est pas le cas ici). Il n’est pas localisé en un point précis mais présent partout.
Si nous descendons à une toute petite échelle, nous arrivons dans un monde qui va à l’encontre
de notre sens commun : la matière est partout et nulle part, elle a plusieurs formes.
A la fin de la course, il peut avoir gagné et perdu en même temps, et c'est seulement au moment
où on prend la photo sur la ligne d'arrivée qu'on le sait, et à ce moment il n’est plus que sur un
couloir de course. Mais quand on veut alors regarder le temps qu'il a mis, on se rend compte
qu'il a été impossible de le chronométrer, impossible de savoir en même temps où il est et à
quelle vitesse il va. C’est le principe d'incertitude intrinsèque à la nature des particules.
Tout cela peut paraître choquant, perturbant… Heureusement les physiciens sont là pour nous
aider à comprendre et l’ont très bien formalisé.
7
DEROULEMENT
APPLICATIONS
Le médiateur présente de façon humoristique, comme si cela était compréhensible par tout
le monde, le formalisme mathématique :
Equation de Schrödinger :
∂Ψ h 2 k 2
h 2 ∂ 2Ψ
ih
=
Ψ=−
+ VΨ
∂t
2m
2m ∂x 2
« On voit bien que la variation de notre fonction d’onde par rapport au temps est proportionnelle
à notre fonction d’onde à h barre carré, k carré sur 2 fois la masse près et que si l’on multiplie le
potentiel par notre fonction d’onde et que l’on ajoute la variation de notre fonction d’onde par
rapport à l’espace à un facteur près h barre carré sur 2 fois la masse, on a une égalité parfaite !
Clair !! On pourrait s’arrêter là !!! »
La physique quantique n’a pas d’équivalent dans notre monde, il a donc fallu s’armer d’outils
pour mieux l’appréhender, ce sont les mathématiques. Seules des équations subtiles et tout un
nouveau formalisme mathématique peuvent vraiment la décrire parfaitement. L’expérience a
ensuite, et parfois des années plus tard, confirmé l’image que nous donnaient les
mathématiques.
Bien sûr le médiateur ne va pas s’attarder sur le formalisme mathématique pour s’intéresser aux
aspects « visibles » de la physique quantique qui régit le monde qui nous entoure.
L’animateur présente différents objets :
- un téléphone portable : sans la quantique, pas de téléphone portable, ou alors 1000 fois plus
gros, moins pratique… C’est la quantique qui a permis d'inventer les transistors actuels et donc
l’électronique contenue dans ce téléphone qui lui permet de fonctionner.
- une bague avec une pierre précieuse prise dans le public : pas besoin de physique
quantique pour posséder une telle bague, mais pour comprendre pourquoi le rubis est rouge,
pourquoi l’émeraude est verte, la physique classique était bloquée, il a fallu la quantique pour
expliquer la couleur du diamant et celle du métal de l’anneau.
Le médiateur peut montrer un aimant en lévitation au dessus d’un supra conducteur :
- Sans la physique quantique, impossible de faire léviter cet aimant ni de comprendre pourquoi
il lévite. A la fin de cette animation, le public aura compris ce qui se passe ici.
Quand on descend à l’échelle d’un atome, tout devient quantique mais on n’a pas toujours
besoin de cette physique pour comprendre ce qui se passe à l’échelle macroscopique.
Le médiateur se propose de faire le tour de technologies et de voir à chaque fois si on a besoin
de la physique quantique pour l’expliquer ou si la physique classique suffit.
8
DEROULEMENT
APPLICATIONS
Utiliser le powerpoint :
- imagerie médicale IRM : technologie quantique par absolu que nous
expliquerons plus tard
- 2CV : certes les atomes de 2 CV sont quantiques mais pas besoin de la
quantique pour comprendre le fonctionnement général de cette voiture.
- centrales nucléaires : on agit au niveau des noyaux des atomes donc physique quantique,
dès que l’on est au niveau des atomes on peut être sûr que la quantique joue un rôle. On peut
d’ailleurs noter que ce sont les mêmes personnes au départ qui ont développé la physique
quantique et la physique nucléaire.
- verre incassable : cette vitre a reçu en laboratoire un impact qui aurait fait exploser la
plupart des obstacles, nécessitant une très haute technologie, la mécanique des solides
nécessite souvent l’utilisation de la physique quantique, mais en l’occurrence ici pas de
physique quantique : on peut aujourd’hui faire de la physique de très haute technologie et
très poussée sans physique quantique !!!
- chimie : La physique quantique a une centaine d’années, la chimie est bien plus vieille !
Mendeleïev a publié son tableau périodique des éléments chimique il y a bientôt 150 ans. Il
n’a pas eu besoin de comprendre la quantique pour classer les éléments chimiques en
fonction de leurs propriétés et cette classification s’avère toujours très exacte aujourd’hui.
Mais pour comprendre pourquoi son tableau fonctionne, nous avons besoin de la physique
quantique.
Pourquoi avons-nous besoin de la physique quantique pour comprendre pourquoi le tableau de
Mendeleïev fonctionne, pour fabriquer des téléphones portables ou pour faire léviter un
aimant ??? Et bien parce que le responsable de tout cela c’est l’électron !!! Et qu’en tant que
particule il est dirigé par la physique quantique.
Le médiateur propose donc de partir à la rencontre de cet être étrange qu’est l’électron.
9
DEROULEMENT
L’ELECTRON
Point commun à tout ce que le médiateur a montré : l’électron et ses étranges propriétés.
Le médiateur rappelle que s’il coupe une personne du public en 1000 puis en 1000 puis encore
en 1000 et encore un petit peu, on arrive aux atomes, les briques élémentaires qui nous
constituent. Les atomes sont constitués d’un noyau fait de protons et de neutrons et d’électrons
qui gravitent autour.
Mais à quoi ressemble un électron ?
Pour le voir il faut descendre à l’échelle de l’atome et là on a un premier problème : c’est trop
petit !!! On ne peut pas utiliser l’optique classique car un rayon lumineux est trop gros par
rapport à un électron.
Pour le voir de plus près le médiateur se propose d’utiliser une caméra quantique !!
Projeter le film d’animation :
L’image que beaucoup ont d’un atome (nous avons pris l’atome le plus simple, celui d’H-) : le
noyau au centre et une petite boule, l’ e- qui gravite autour. Cette image est doublement
fausse !!!! Tout d’abord si l’atome avait la taille de la tour Eiffel, le noyau ne serait pas plus
gros qu’une balle de golf !! Nous l’avons ici grossi pour voir quelque chose !!!
Ensuite l’ e- n’est pas du tout une petite bille qui tourne autour du noyau.
En fait il est impossible de vraiment représenter un e-: on peut parler d’impicturabilité de l’ e- !
Mais si on essaye tout de même de le représenter voici à quoi cela ressemblerait :
On a une image floue autour du noyau, une sorte de méduse, un « schbleurk ». Notre e- est
partout, diffus, un peu normand « p’t êt’ ben qu’il est là, p’t êt’ ben qu’il est là …», il a une
probabilité de présence plus importante prés du noyau, mais pas de localisation précise.
Et on va retrouver ces électrons autour de chaque atome (atomes qui dans un solide, un cristal,
sont assemblés en réseau), 1, 5, 100 … électrons autour de chaque noyau selon la nature de
l’atome.
Pour essayer de comprendre ce qu’est vraiment l’électron, parce que « schbleurk » ce n’est pas
très scientifique comme explication, le médiateur doit faire comprendre au public deux grandes
notions de la physique : les corps et les ondes.
10
Avant de pouvoir comprendre ce qu’est un électron, le public doit
d’abord comprendre ce que sont les corps et les ondes et leurs différences.
DEROULEMENT
ONDES ET
CORPUSCULES
Le médiateur présente d’abord ce qu’est un corps :
Les corps : on voit bien ce que c’est : une personne, la table, la lune…
Imaginons maintenant que l’on envoie des corps à travers 2 fentes,
prenons des petites billes projetées par un canon :
Projeter le film d’animation
Chaque petite bille va passer par
une fente ou l’autre avant d’aller
faire un impact sur notre écran
placé derrière (quand elles ne
rebondissent pas sur la première
paroi au départ…)
Exemples d’ondes :
Le médiateur présente ensuite l’autre grande
catégorie : les ondes.
Les ondes sont plus difficiles à cerner, elles
peuplent pourtant le monde qui nous entoure :
ondes sonores, ronds dans l’eau, lumière…
Lorsqu’elles se déplacent, il y a déplacement
d’information mais pas de matière, c’est l’énergie
qui va avancer.
Si vous avez perdu votre petit bateau au
milieu de la mare, vous pourrez jeter
tous les cailloux que vous voulez dans
l’eau, le bateau au milieu va monter et
descendre sur l’eau au fil des vagues
mais pas avancer.
Le médiateur peut faire faire une ola au
public : on voit l’onde se propager et
pourtant chacun reste à sa place.
Reprenons nos deux fentes et envoyons une onde au travers :
Projeter le film d’animation
La même onde passe au travers des 2 fentes à la
fois et engendre d’autres ondes derrière qui vont
former des figures d’interférences (les mêmes
interférences qui se produisent avec la télévision
ou les téléphones portables)
Si on prend le cas d’ondes dans l’eau et que l’on
nage derrière les 2 fentes, deux pics de vagues
peuvent arriver et ensuite 2 creux qui vont
s’additionner et on va se retrouver à monter et
descendre dans l’eau avec une forte amplitude.
En se déplaçant, on peut se trouver un endroit où
les vagues s’annulent.
Si on prend maintenant de la lumière, on va avoir une succession de bandes lumineuses (là où
l’amplitude des vagues aurait été la plus forte) et de bandes noires (là où les vagues se seraient
annulées) que l’on appelle frange d’interférence (expérience des fentes d’Young).
11
DEROULEMENT
ONDES ET
CORPUSCULES
Que se passe-t-il maintenant si on refait la même expérience avec des électrons ?
Le médiateur peut demander à une personne du public de prendre le pistolet pour envoyer des
électrons à travers les 2 fentes en plexiglas. En même temps il projette sur l’écran le film de
l’expérience de Tonomura (Hitachi).
L’expérience dans la salle est factice mais le film est le fruit d’une véritable expérience au cours
de laquelle on a vraiment envoyé 1 par 1 des électrons à travers 2 fentes. Elle a d’ailleurs été
sacrée la plus belle expérience de physique de tous les temps…
Le médiateur fait une pause une
fois que les impacts des premiers
électrons appraissent (image a et
b) et demande au public si un
électron agit comme un corps ou
comme une onde.
Un par un les électrons viennent
faire un impact tel un corps
envoyé à travers une fente.
Le médiateur relance ensuite le film et à la fin de l’expérience dont nous avons ici accéléré le
film, on voit très nettement des franges d’interférence comme pour une onde. Il redemande donc
au public si l’électron est un corp ou une onde.
Chacun peut maintenant sentir que c’est en fait les 2 à la fois !!!
Dès le début du 20ème siècle, la théorie avait prédit ce résultat mais il aura fallu attendre les
années 80 pour que l’on soit capable d’envoyer un par un des électrons pour le confirmer par
l’expérience.
Comment cette étrange nature de l’électron va-t-elle jouer dans notre environnement ?
Prenons par exemple l’électricité, c’est un courant d’électrons comme la rivière est un courant
d’eau.
12
DEROULEMENT
ONDES ET
Regardons ce qui se passe à l’intérieur d’un fil électrique :
CORPUSCULES
Projeter le film d’animation
Ce ne sont pas des petites billes qui se
déplacent dans le fil électrique mais bien
des ondes.
Ces ondes circulent plus ou moins bien
selon le matériau. On voit ici que nos
électrons ne circulent pas en ligne droite
mais zigzaguent comme s’ils rencontraient
des obstacles.
Et que se passerait-il si on refroidit ces
électrons ?
Cela reste pareil ? Les électrons passent
moins ? Les électrons passent mieux ?
Faire voter.
Pour répondre à cette question, le médiateur propose une expérience :
Il présente une petite ampoule électrique qui fonctionne sur pile après laquelle on a mis une
forte résistance en cuivre qui empêche le courant de bien circuler. Seul quelqu’un qui a l’œil sur
l’ampoule peut voir que le filament brille un tout peu.
Le médiateur plonge la bobine dans de l’azote à -196°. Tout d’abord il va y avoir de la fumée
puisque ma bobine est TRES chaude par rapport à mon azote, il y a donc évaporation brutale.
Cependant ce n’est pas la fumée qu’il faut regarder, mais l’ampoule : elle se met à briller
normalement, nettement plus qu’au début, preuve que le courant circule beaucoup mieux.
Cette propriété de l’électricité était connue depuis longtemps mais il a fallu attendre la
quantique pour la comprendre.
Pour comprendre cela, il faut considérer que les
électrons sont des corps mais aussi des ondes.
S’ils n’étaient que de petites billes ils passeraient
un peu mieux mais pas de manière aussi
significative. Les atomes sont trop proches les
uns des autres pour qu’une petite bille passe sans
rebondir dans tous les sens.
Or les ondes adorent l’ordre, et passent beaucoup
mieux au travers d’un réseau régulier qui ne
s’agite pas dans tous les sens. La lampe qui
s’allume ici nous prouve une fois de plus que les
électrons circulent en tant qu’ondes dans notre fil.
Imaginez vous dans une soirée techno, la
musique est à fond, il y a beaucoup de
monde qui danse dans tous les sens. Difficile
de rejoindre votre copain qui est de l’autre
côté de la salle.
Calmons tout le monde en mettant une
musique moins rythmée, vous pourrez passer
un peu mieux, mais s’il y a vraiment du
monde et que tout le monde est serré, pas
évident…
C’est ce qui se passe dans notre fil
électrique : les atomes bougent en raison de
l’agitation thermique (il fait chaud, même
dans un glaçon) et prennent toute la place.
Difficile pour un électron de passer.
13
DEROULEMENT
SUPRACONDUCTEURS
Il existe des matériaux dans lequel l’aspect ondulatoire des électrons est encore plus
visible : les supraconducteurs.
Le médiateur montre au public la pastille de supraconducteur. A première vue ce n’est pas très
impressionnant, c’est juste cette pastille de céramique noire, un oxyde de cuivre dans ce cas ici
(le supra YBaCuO). Mais dans un supraconducteur, il se passe des choses incroyables !!!
Il faut savoir que les électrons sont du genre loup solitaire, moi de mon côté, toi du tien, on ne
se mélange pas, chacun sa vie.
Or dans le supra conducteur, les électrons acceptent de se mettre en couple, en formant des
paires de Cooper, et là, lorsqu’ils sont en couple, ils changent complètement leur nature
profonde, de fermion ils passent à bosons et de grand solitaires ils deviennent super fêtards. Ils
acceptent alors de tous se grouper.
Or nous avons vu que les électrons sont des ondes, et une petite onde plus une petite onde plus
une petite onde, à la fin on a un tsunami géant !!
Projeter le film d’animation
L’union fait la force, plus rien de résiste au tsunami, la
résistance électrique devient nulle !!!
Et ça c’est très pratique, on installe des panneaux solaires
dans le désert, on récupère l’énergie jusqu’en Europe
grâce aux supraconducteurs et on a résolu une partie des
problèmes d’énergie dans le monde…
Si on repart dans notre boite de
nuit, c’est comme si d’un seul
coup on arrivait à 100 et que
l’on essaye de traverser la piste
ou sont les danseurs : à 100 on
est capable de pousser tout le
monde, de « dégager » le terrain
et de passer sans problème.
Sauf que pour cela, il faut changer de planète et en prendre une BEAUCOUP plus froide, parce
que malheureusement, aujourd’hui, il n’existe pas de supraconducteur à température ambiante !
On utilise tout de même dès aujourd’hui les supraconducteurs.
14
DEROULEMENT
SUPRACONDUCTEURS
Le médiateur va maintenant présenter quelques applications des supraconducteurs
aujourd’hui :
-
IRM
C’est une technologie doublement quantique :
Les particules qui nous constituent possèdent des caractéristiques que nous connaissons : la
masse, la charge électrique… elles en possèdent une autre purement quantique : le spin, c’est un
peu comme si chaque particule était un petit aimant (ce n’est pas le cas mais elles agissent
comme tel). En mettant notre tête au milieu d’un énorme aimant, tous nos spins vont s’aligner
sur cet aimant de la même manière qu’une boussole s’aligne sur le champ magnétique terrestre.
Lorsque vous coupez le champ magnétique, les spins reprennent leur position initiale mais à des
vitesses différentes selon la densité de la matière, on peut donc déterminer si on est en présence
d’os, de tumeur…
Pour créer cet énorme aimant, on fait circuler du courant dans une bobine, ce qui crée un champ
magnétique. Or il faut un champ magnétique très fort, donc un courant très fort qui ferait fondre
une bobine en fil du cuivre à cause de la résistance électrique.
On utilise donc un circuit en supraconducteur : résistance électrique nulle, pas de perte
d’énergie… Il faut juste que le circuit soit baigné dans de l’hélium liquide dont les hôpitaux
doivent faire le plein régulièrement.
-
Train
Le médiateur place sur le rail d’aimants une petite cale en polystyrène et par-dessus la pastille
supraconductrice. Il rempli le gobelet d’azote liquide et au bout de quelques temps, retire la cale
en polystyrène. Le public peut alors voir que la pastille lévite au dessus du rail d’aimant. Le
médiateur peut s’avancer avec le rail vers le public pour qu’il voit mieux et également faire
passer une feuille entre le rail et la pastille pour montrer davantage la lévitation.
Ceci appliqué à un train, on a alors le train le plus rapide :
Projeter le film du Shinkansen
Puisque le train lévite, on n’a plus de frottements et donc possibilité d’aller très vite.
Ce train n’est pas développé pour 2 raisons :
- un problème financier
- un problème technique : très difficile de faire des aiguillages.
15
DEROULEMENT
SUPRACONDUCTEURS
Mais pourquoi ma pastille lévite ?
On se souvient que dans un supraconducteur, les électrons se mettent tous ensemble pour former
ce que l’on appelle un condensat. Et maintenant qu’ils sont ensemble, ils n’ont pas du tout envie
que l’on vienne chatouiller l’un différemment de l’autre. Or le rail d’aimants que nous avons là
agit un peu comme un policier avec les électrons : « toi par là, toi tu vas par ici », et ça les
électrons n’en ont pas du tout envie ! Donc ils créent un contre champ magnétique, ce qui est
très facile pour eux puisque la résistance électrique est nulle. Ils circulent donc à la surface de
ma pastille (comme le courant dans une bobine) et créent ainsi un contre champ magnétique qui
va s’opposer à celui des aimants. Ce dernier va donc contourner le supra et le faire ainsi léviter.
Le médiateur peut ensuite refaire
léviter la pastille et retourner le rail
devant le public : la pastille est piégée
et ne tombe pas.
On voit que ma pastille ne sort pas de mon rail. En fait, mon supraconducteur n’est pas parfait et
là où il y a des impuretés, il lui est compliqué d’empêcher le champ des aimants de passer, il y a
donc des vortex qui se créent et piègent complètement mon supra.
aimant
vortex
supraconducteur
Le médiateur peut également refaire l’expérience sur le rail en houla hop et faire tourner la
pastille à la verticale mais aussi à l’horizontal.
16
DEROULEMENT
CONCLUSION
Pour finir, le médiateur résume ce qui a été vu au cours de l’atelier :
La physique quantique est aujourd’hui incontournable car elle permet de comprendre ce qui se
passe à l’échelle des particules, ce qui a souvent des effets à l’échelle macroscopique. Et si elle
parait à première vue extrêmement floue et insensée, c’est pourtant une science parfaitement
rigoureuse et prédictive qui nous permet de développer des nouvelles technologies comme
l’IRM ou toute l’électronique moderne.
Pour terminer, il peut projeter les phrases de deux grands physiciens sur la physique quantique :
Un des fondateur de la physique quantique, Niels Bohr, a dit
« Toute personne qui n’est pas choquée par la physique quantique ne l’a pas comprise »
Donc pas de soucis si le public a été un peu choqué par ce qu’il vient de voir et d’entendre…
c’est qu’il a compris !!!
Mais un autre physicien, M. Feynman, a dit :
« Si vous croyez avoir compris, c’est que je n’ai pas été clair. »
17
APPROFONDISSEMENT
18
LA COURSE
QUANTIQUE
Les accélérations par palier
Cette vidéo d’une course quantique permet de montrer en peu de temps ce que sont les propriétés
des particules quantiques quand on les imagine à notre échelle. Attention, toutes ces propriétés ne
s’appliquent en fait qu’à des particules de taille petite, c'est-à-dire au plus des molécules
individuelles de quelques nanomètres, pas au-delà. Il ne faut donc pas laisser croire à l’auditoire
qu’un homme pourra un jour se démultiplier, ou passer des murs (prendre garde aux récupérations
abusives par les adeptes du paranormal du jargon de la quantique !).
Le coureur n’accélère pas progressivement mais
par à-coups. Cela traduit la quantification des
propriétés physiques en mécanique quantique. La
vitesse ou l’énergie des particules quantiques ne
peut prendre que certaines valeurs quantifiées, par
exemple ici pour le coureur 1 mètre par seconde, 2
mètre par seconde, etc... C’est pourquoi on appelle
ce monde celui de la physique « quantique » .
Cette propriété a permis de comprendre les
spectres lumineux émis par les atomes comme
l’hydrogène :
lorsqu'on excite de l'hydrogène, seule certaines raies
lumineuses sont émises, qui correspondent à des énergies
particulières émises par l'hydrogène. Tout comme le coureur
quantique, les énergies de l'hydrogène sont quantifiées et ne
peuvent prendre toutes les valeurs.
19
LA COURSE
QUANTIQUE
La manipulation de ces niveaux quantiques des atomes a permis d’inventer les lasers. En effet,
dans un laser, on envoie un photon (grain de lumière) pour faire passer des particules d’un de
ces paliers d’énergie vers un autre palier plus bas, ce qui a pour effet de créer un second photon,
cohérent avec le premier. D’où le nom : Light Amplifying Stimulated Emitted Radiation (de la
lumière amplifiée grâce à une émission stimulée).
Traverser les haies
Le coureur passe à travers la haie. Cela traduit l’effet tunnel.
Une particule quantique peut ainsi passer à travers des zones
à priori interdites, car elle se comporte comme une onde. Par
exemple, séparons deux bouts de métaux par un peu de vide.
Si l’électron n’était qu’un corps (ici la boule noire), il ne pourrait
sauter d’un métal à l’autre.
Mais c’est une onde (ici la tache grise), assez étendue pour passer à
travers la zone vide théoriquement interdite.
Cette propriété a permis d’inventer le microscope à effet tunnel qui permet de visualiser les
atomes dans la matière. On place une pointe métallique au dessus d’un échantillon sans le
toucher. Des électrons sont alors arrachés depuis l’échantillon jusqu’à la pointe par effet
tunnel. Cela arrive quand la pointe est au dessus d’un atome et non quand elle se trouve entre
deux atomes. Et l’on peut ainsi en mesurant le nombre d’électrons arrachés en déduire où se
trouvent les atomes.
20
LA COURSE
Démultiplication
QUANTIQUE
Le coureur se démultiplie en huit coureurs. C’est la dualité
onde-corpuscule. Une particule quantique est à la fois un corps
et une onde. La particule (ici le coureur) est à plusieurs endroits
à la fois. On dit qu’elle est délocalisée.
Cette propriété a permis de comprendre l’effet tunnel ( voir ci-avant ) et le comportement des
électrons autour des atomes. Cela sert par exemple à comprendre les liaisons qui permettent à la
plus part des solides de tenir : les atomes dans ceux-ci sont en effet liés les uns aux autres par
leurs électrons dont les ondes s’interpénètrent (par exemple dans un métal, ou dans un oxyde).
On y reviendra plus loin avec les expériences d’interférences pour les électrons.
L’arrivée
Quand on le prend en photo à l’arrivée, le coureur
cesse de se démultiplier. En effet, dés qu’on mesure
une particule quantique (ici le coureur qu’on prend
en photo), la particule « choisit » où se
rematérialiser parmi toutes ses positions possibles.
C’est là un caractère très étrange de la quantique :
effectuer une mesure a un effet très particulier sur
la particule qu’on mesure.
De plus, en mécanique quantique, on ne peut pas
mesurer précisément à la fois la position du coureur
et sa vitesse. Il y a une limite infranchissable qu’on
appelle principe d’incertitude. Même si on invente
les appareils les plus sophistiqués, on ne pourra
jamais à la fois connaître la position et la vitesse
d’une particule quantique. Et si on améliore sa
mesure de la position, ce sera nécessairement au
détriment de la mesure de la vitesse (et
réciproquement).
21
LA COURSE
QUANTIQUE
Ce qu’il faut retenir des lois quantiques
La course quantique a mis en évidence plusieurs phénomènes typiquement quantiques. Voilà un
résumé des propriétés des objets régis par les lois de la quantique :
• Taille : les objets quantiques sont petits (de taille nanométrique) : électrons, protons,
neutrons, atomes, molécules, photons (grains de lumière)…
• Quantification : la plupart des propriétés d’un objet quantique sont quantifiées, c'est-àdire que seules certaines valeurs sont possibles (comme les marches d’un escalier), par
exemple l’énergie, la vitesse, etc.
• Dualité onde-corpuscule : un objet quantique est à la fois un corps et une onde.
• Effet tunnel : parce qu’il est une onde, un objet quantique peut traverser des barrières
interdites, comme par exemple un espace vide entre deux bouts de métaux, tant que cet
espace est étroit.
• Principe d’incertitude : on ne peut à la fois mesurer précisément la vitesse et la position
d’un objet quantique.
Plusieurs formalismes nouveaux ont été développés pour traiter ces lois et objets quantiques,
équation de Schrödinger, matrices, diagrammes, etc. Expliquons juste à titre d’exemple
l’équation de Schrödinger, qui est l’équation fondamentale de la mécanique quantique. C’est
elle qu’on montre au public pour l’effrayer dans l’exposé. Un objet quantique est à la fois un
corps et une onde. L'équation de Schrödinger permet de prévoir comment cette onde va évoluer
dans le temps et dans l'espace. Imaginons qu’on représente cette onde par la lettre Ψ(qu’on
appelle fonction d’onde). L’équation de Schrödinger s'écrit :
∂Ψ
h2 ∂2Ψ
=−
+ VΨ
∂t
2m ∂x 2
∂Ψ
Le premier terme iη
est lié à la façon dont l’onde Ψ varie au cours du temps.
∂t
∂ 2Ψ
décrit si l’onde varie beaucoup ou pas quand on se déplace dans
Le second terme lié à
∂x 2
ih
l'espace représenté ici par "x" (à une dimension).
Le dernier terme VΨ est le produit de l’onde Ψ par V. V est le potentiel du système, il
représente tout ce qu’on fait subir au système, la gravité, les champs électriques, les champs
magnétiques, un choc, etc.
Cette équation permet donc de prédire comment Ψchange de forme et de position au cours du
temps en fonction de ce qu’on fait subir à la particule quantique considérée. Il existe des
équations du même genre par exemple pour décrire le champ électromagnétique qui se propage
depuis un téléphone portable vers un relais. Dans ce cas, au lieu de Ψ, c'est le champ électrique
ou magnétique qu'on considère. Et là encore, on peut prédire comment ce champ évoluera dans
le temps et l'espace en fonction de ce qu'on lui fait subir.
22
La quantique n’est pas une théorie abstraite dont l’intérêt se limiterait
aux expériences de laboratoires. Elle permet en réalité d’expliquer la
plus part des propriétés des solides qui nous entourent. Elle a de plus
permis d’inventer de nombreuses technologies qui nous sont bien
utiles : l’électronique, les lasers, l’imagerie médicale, etc. Voici donc
quelques exemples d’objets quantiques du quotidien.
LA QUANTIQUE
AU QUOTIDIEN
Le transistor, l’électronique, les ordinateurs, les téléphones portables…
Toute l’électronique moderne n’a pu être développée que
grâce à l’invention du transistor, objet purement quantique. Le
transistor a en effet permis de miniaturiser les dispositifs
électroniques qui ont permis depuis de faire les ordinateurs,
les téléphones portables, etc. Un transistor est composé de
couches superposées de semi-conducteurs, dont le
fonctionnement repose sur la physique quantique (et le
comportement des électrons). On peut y faire circuler et
amplifier de façon contrôlée ultra rapide et miniaturisée le
courant électrique.
On doit l’invention du transistor en 1946 à des physiciens
spécialistes de la quantique. L’un d’eux, John Bardeen, a
obtenu avec ses compères un prix Nobel pour cette découverte
en 1955, et c’est le même John Bardeen qui a construit avec
ses collègues Léon Cooper et Robert Schrieffer la théorie pour
expliquer la supraconductivité dix ans plus tard, ce qui lui a
valu un second prix Nobel en 1972.
Le premier transistor inventé en
1946. On sait maintenant fabriquer
des transistors de quelques dizaines
de nanomètres. Dans un core duo,
environ quatre cents des transistors
d’Intel gravés en 45 nm peuvent
loger sur une surface équivalente à
celle d’un globule rouge de sang
humain .
23
LA QUANTIQUE
Les lasers
AU QUOTIDIEN
Le laser repose sur l’utilisation astucieuse de niveaux d’énergie dans les atomes d’un gaz ou
d’un solide. On fait passer des électrons sur certains niveaux bien choisis pour qu’ils produisent
une lumière qui possède les propriétés particulières des laser. Par exemple, dans un laser
hélium-néon, on excite les électrons des atomes d’hélium. En se désexcitant, les électrons
excitent à leur tour des atomes de néon, qui eux même se désexcitent en produisant un photon
(grain de lumière), qu’on fait rebondir sur un miroir pour le renvoyer dans le néon. A chaque
aller-retour, le photon excite un autre photon de la même façon et au final, un rayon de lumière
cohérent, unidirectionnel, et d’une fréquence bien définie est produit.
laser utilisé pour mesurer
la distance terre-lune
diode laser bleue
laser excimer pour la chirurgie des yeux
L’avancée la plus récente et la plus importante est l’invention de diodes laser. Il s’agit de
sandwichs de semi-conducteurs, très proches de ce qui est utilisé dans les transistors des
ordinateurs. Ici, on fait passer du courant dans ces sandwichs. Si le courant est faible, le
sandwich émet une lumière « standard », et c’est ainsi que fonctionnent les LED. Pour un
courant assez fort et dans certaines conditions, le sandwich se met à émettre une lumière
« laser ». On l’appelle « diode laser ». Ici, le rôle des miroirs est joué par le sandwich lui-même.
Même si cette diode laser n’est pas aussi directionnelle et puissante que les lasers
conventionnels, elle possède un atout essentiel : la taille. On peut en effet fabriquer de toutes
petites diodes laser (par exemple pour faire un pointeur laser), utiles dans bien des applications,
et la première d’entre elles : les télécommunications par fibres optiques qui ont permis l’essor
d’internet et du haut débit. La diode laser est ici utilisée pour émettre des petites impulsions
lumineuses qui codent l’information à transmettre, et se propagent ensuite dans les fibres. C’est
probablement l’application la plus importante des lasers, qu’on doit là encore aux physiciens
quantiques.
24
LA QUANTIQUE
L’imagerie médicale
AU QUOTIDIEN
L’imagerie par résonance magnétique (IRM) utilisée dans les
hôpitaux est l’exemple même d’une application de la mécanique
quantique à double titre. Non seulement on utilise un principe
quantique, l’effet Zeeman, pour imager le corps humain, mais
de plus on utilise pour cela un champ magnétique produit luimême grâce à l’utilisation de bobines supraconductrices
plongées dans l’hélium liquide. L’IRM consiste à utiliser les
spins des noyaux de l’hydrogène du corps humain pour mesurer
le type de matière qui se trouve autour d’eux. Concrètement, on
place le corps du patient dans un champ magnétique élevé (de
l’ordre de 10000 fois le champ terrestre), ce qui a pour effet
d’aligner tous les spins (aimants quantiques) des noyaux des
hydrogènes de son corps.
On envoie ensuite des ondes radio (semblable
aux ondes FM) qui vont basculer ces spins.
Puis on arrête tout : les spins reviennent alors à
l’équilibre. Le temps qu’ils mettent pour
revenir à l’équilibre dépend de leur
environnement. Par exemple, ils mettront plus
de temps s’ils sont dans un tissu que dans une
zone liquide du cerveau. On mesure donc ce
temps de retour à l’équilibre pour chacun des
spins du cerveau d’où on déduit l’image du
cerveau. On sait distinguer les zones du
cerveau
en
appliquant
des
champs
magnétiques différents le long du cerveau
(c’est cela qui provoque un bruit très fort
pendant
l’IRM,
bruit
essentiellement
mécanique). Cette technique est sans aucun
danger car une fois sorti de l’IRM, les spins du
patient retournent à leur état désordonné
habituel, comme si rien ne s’était passé. La
bobine supraconductrice permet ici d’avoir un
champ magnétique très élevé. Si on avait
utilisé un fil métallique pour faire cette bobine,
il aurait fallu le refroidir en permanence avec
un très fort débit d’eau pour qu’il ne fonde pas
sous l’effet du courant qui le parcourt. Pour le
supraconducteur, il n’y a pas de résistance
électrique, donc pas d’échauffement, donc pas
besoin d’eau. Par contre, il faut en permanence
maintenir cette bobine dans son état
supraconducteur, donc dans l’hélium liquide
(les bobines sont en général faites d’alliages de
niobium, de titane, ou d’étain).
L’IRM : la bobine supraconductrice est
contenue soit dans un tore (à gauche) soit
deux cercles face à face (à droite) ce qui
permet dans ce cas d’opérer directement
dans l’IRM. Ci-dessous, images obtenues
par IRM.
25
Les centrales nucléaires
LA QUANTIQUE
AU QUOTIDIEN
C’est la mécanique quantique qui a permis le
développement de la physique nucléaire, puisque ce
sont à la fois les lois de la physique quantique et de la
relativité qui gouvernent les réactions nucléaires au
cœur des centrales nucléaires. Là aussi, ce sont les
physiciens spécialistes de la quantique qui ont
participé au développement du nucléaire civil et
militaire.
La chimie
les électrons se délocalisent autour des
atomes sur des orbitales de ce type
La chimie a bien sûr préexisté à la mécanique quantique. Cependant, la quantique a permis de
comprendre ce qui est responsable des liaisons entre atomes dans les molécules, et dans les
solides, point clé pour expliquer toutes les réactions chimiques. Ces liaisons peuvent avoir
plusieurs origines mais sont toujours une combinaison entre des effets électriques et quantiques.
Plusieurs types de liaisons existent (van der Waals, covalent, ionique, métallique, hydrogène...)
qui expliquent les différentes propriétés des solides, pourquoi ils sont durs ou friables par
exemple. La quantique a aussi permis d’identifier quels électrons contribuent à ces liaisons (on
parle des orbitales quantiques qui les portent) et donc de comprendre l’origine des réactions
chimiques. Elle a enfin permis de comprendre la classification périodique, liée à la façon dont
les électrons s’empilent autour d’un noyau, sur des orbitales successives, gouvernés par les lois
de la quantique (et en particulier le principe de Pauli qui n’autorise que deux électrons
maximum par niveau d’énergie).
La couleur des pierres précieuses
La couleur de tous les objets ne s’explique pas par la quantique. Mais c’est bien le cas pour les
pierres précieuses, rubis, émeraudes, etc. La couleur de ces pierres n’est en fait pas du tout celle
du matériau majoritaire qui les compose, mais liée aux propriétés quantiques de quelques
impuretés qu’elles contiennent de façon très minoritaire. Par exemple dans le rubis, qui est en
fait un oxyde d'aluminium, c'est la présence de quelques impuretés de chrome qui fait le rouge.
En effet, c’est la façon "quantique" dont les électrons sont disposés sur autour de ce chrome, qui
donne la couleur rouge au rubis. Autres exemples : chrome dans l'émeraude donne du vert, Fer
dans la topaze donne du jaune, manganèse dans la tourmaline donne du rose-rouge, etc...
Pour la couleur des métaux, c'est plus compliqué, lié à la fois aux propriétés des électrons
quantiques quand ils forment un métal et à l'électromagnétisme (un site qui explique un peu ça :
http://webexhibits.org/causesofcolor)
26
Les aimants
LA QUANTIQUE
AU QUOTIDIEN
Dans un aimant, le magnétisme est lié à la présence de petits aimants purement quantiques sur
certains des atomes qui le composent. On appelle ces nano-aimants quantiques des spins. Par
exemple, les aimants utilisés pour les démonstrations de supra sont composés de Néodyme, de Fer
et de Bohr, et ce sont les spins portés par les néodymes et les fers qui se sont tous alignés entre eux,
pour former un aimant « géant ». Un métal magnétique (la plus part des aciers, le fer, le nickel, …)
colle à aimant car c’est lui-même un aimant, mais décomposé en domaines. Ce sont les aimants et
la manipulation de leur direction qu’on utilise pour stocker de l’information dans les disques durs
dans les ordinateurs. Le prix Nobel d’Albert Fert lui a été attribué pour avoir su manipuler certains
de ces aimants astucieusement. Albert Fert a en effet montré que dans certains empilements de
couches minces d’aimants, la résistance électrique dépend fortement de la façon dont on empile ces
aimants (« la magnétorésistance géante), ce qui a permis depuis de concevoir les têtes de lecture
des disques durs.
Un aimant (ici en photo, des NdFeB) est composé de spins quantiques (les
petites flèches) tous alignés entre eux.
Un métal magnétique (trombone, clé…) est composé de pleins de domaines
non alignés entre eux. Quand on approche un aimant, tous les domaines
s’alignent, et le métal devient lui-même comme un aimant.
27
L’ELECTRON
EST LE
COUPABLE
28
L’ELECTRON
L'électron, à la fois un corps et une onde
EST LE
COUPABLE
L’électron est une particule quantique. Il est donc à la fois une onde et un
corps. C’est cette dualité qui va gouverner ses étranges propriétés dans la
matière, et permettre d’expliquer ce qu’est un métal, puis un supraconducteur.
Dans un atome, contrairement à
l’idée habituelle, un électron (ici en
violet) ne gravite pas autour d’un
noyau (ici en bleu) comme la Lune
autour de la Terre. n’est pas comme
une lune qui gravite autour d’une
planète (gauche), mais plutôt
comme un nuage mal défini (droite).
Attention, ce n’est pas parce qu’il
va trop vite autour du noyau qu’on
n’arrive pas à le voir précisément.
C’est bien parce qu’il est partout à
la fois, car il se comporte comme
une onde.
La découverte
La dualité a été proposée théoriquement par Louis De Broglie en 1924 (français qui obtint le
prix Nobel en 1929). Elle a été prouvée expérimentalement par Davisson et Germer en 1927.
Pour cela, ils envoient sur un cristal de Nickel un faisceau d’électrons. Le cristal étant composé
de rangées d’atomes régulièrement espacées, il se comporte comme un série de fentes pour les
électrons. Davisson et Germer s’attendent donc à ce que les électrons passent entre les atomes
ou au contraire rebondissent selon la direction du faisceau d’électrons par rapport aux rangées
d’atomes, et selon les propriétés des atomes de Nickel, un peu comme si on jouait au bowling
sur les colonnes de Buren. Mais à leur surprise, les électrons sont diffractés (c’est à dire
renvoyés) par les fentes comme le serait de la lumière. Ils en concluent que les électrons ne se
comportent donc pas comme des projectiles, mais comme de la lumière, c’est à dire comme une
onde. Davisson et Germer ont mis de nombreuses années à faire fonctionner leur expérience.
Et c’est à force d’obstination mais aussi de chance qu’ils y
sont parvenus : en effet, ils cassent un jour une de leurs
cibles de Nickel. Pour la réparer, ils doivent la chauffer, et
sans le savoir, ce faisant, les atomes de Nickel s’organisent
et s’ordonnent. Ils se rendent alors compte que les électrons
ne rebondissent plus de la même façon sur leur cristal : ce
n'est donc pas la structure de l'atome de Nickel qui
comptait mais l'organisation des atomes.
Louis DeBroglie
29
L’ELECTRON
EST LE
COUPABLE
On pourrait objecter à cette expérience que ce sont lorsqu’ils sont ensembles dans un faisceau
que les électrons se comportent comme une onde, mais qu’individuellement ce seraient bien des
corpuscules. C’est ici que l’expérience d’Hitachi intervient.
Corpuscule : ci on envoie des projectiles (des
corps) n'importe comment à travers les deux
fentes. On détecte alors leurs impacts sur l'écran
derrière.
Au contraire, quand on envoie une onde sur les
deux fentes, à la sortie des fentes, l'onde se
superpose à elle même et forme des maximums et
des minimums sur l'écran. Ce sont des franges
d'interférences.
Dans l'expérience d'Hitachi, faîte par le groupe de A. Tonomura en 1989, un microscope
électronique est utilisé pour réaliser l'analogue d'une expérience de fentes d'Young pour des
électrons individuels. Le microscope permet d'envoyer des électrons un par un sur un dispositif
analogue à deux fentes. Les électrons sont ensuite détectés sur un électron, le détecteur étant
suffisamment sensible pour transformer chaque électron en une cascade de photons, et donc un
spot lumineux sur un écran fluorescent. Pour distinguer si un électron est un corps ou une onde,
on peut faire l'analogie avec deux grosses fentes vers lesquelles on envoie des balles. Si on
envoie ces balles n'importe comment à travers deux fentes, elles iront taper l'écran n'importe
comment derrière et on verra donc pleins d'impacts aléatoirement répartis. Au contraire, si on
envoie une onde sur les deux fentes, comme une vague, celle ci interfère avec elle même en
sortie de fentes, et on n'observe plus un motif brouillé, mais des maximums et de minimums
qu'on appelle franges d'interférences. On observerait les mêmes franges dans cette expérience si
on utilisait de la lumière, car la lumière est une onde. C'est la célèbre expérience "les fentes de
Young".
30
Le film de l'expérience de Tonomura
L’ELECTRON
EST LE
COUPABLE
Expérience de Tonomura (Hitachi) : au début, on
voit des points lumineux, qui correspondent
chacun à l'arrivée d'un seul électron. Aucune
frange d'interférence n'est détectée. Cependant,
après l'arrivée de plusieurs milliers d'électrons (en
temps réel, l'expérience prend plusieurs heures),
on voit apparaître des franges claires et sombres
alternées. C'est la signature directe du fait que les
électrons se sont comportés comme des ondes.
Mais le point crucial ici, c'est qu'ils se comportent
ainsi bien qu'on les ait envoyés l'un après l'autre.
Donc chaque électron est à la fois un corps (donc
un point lumineux à la fin) et une onde. La seule
façon d'expliquer ce que l'on voit, c'est que chaque
électron est nécessairement passé dans les deux
fentes à la fois, comme l'aurait fait une vague.
Autre preuve : si on empêche les électrons de
passer dans une des deux fentes, les franges
disparaissent. Et si on se contente de détecter par
quelle fente l'électron est passé, là encore, les
franges disparaissent.
à gauche, un électron ou tout autre corps quantique envoyé sur
2 fentes crée des interférences car il se comporte comme une
onde qui passe à travers les deux trous à la fois. A droite, si on
mesure par quel trou il passe, on n’observe plus d’interférences.
31
D'autres exemples d'expériences d'interférences
L’ELECTRON
EST LE
COUPABLE
On a réalisé d’autres expériences d’interférences pas qu’avec des électrons
uniques, mais toujours avec des objets de taille nanométrique, des photons
envoyés encore un par un, des protons, des neutrons, des atomes, et même des
molécules :
Expérience d'interférences pour des photons envoyés un par un, comme
dans l'expérience de Tonomura pour les électrons, réalisée par l'équipe
de J.F.Roch (Cachan). On voit les photons un par un (points sur
l'image), et en même temps les franges d'interférences et leur intensité.
Expérience de diffraction analogue cette fois avec de
grosses molécules (ici des fullerènes faîtes de 60 atomes de
carbone en forme de ballon de foot). Les bosses
correspondent aux franges brillantes.
32
Des applications de la dualité onde-corpuscule de l'électron
L’ELECTRON
EST LE
COUPABLE
Plusieurs applications de la dualité onde-corpuscule existent, la plus importante étant la
microscopie électronique. Dans un microscope électronique, au lieu de manier des rayons de
lumière comme dans un microscope habituel, on manie des faisceaux d'électrons. L'électron
étant une onde, cela revient à priori au même, mais la longueur d'onde de l'électron est bien plus
petite que celle de la lumière visible, et on peut ainsi accéder à des détails bien plus fins. Au
lieu des lentilles en verre habituelles, on utilisera des lentilles électrostatiques, c'est à dire des
tensions électriques et des champs magnétiques pour agir sur les faisceaux d'électrons. Enfin,
tout le dispositif doit être mis sous vide pour protéger les électrons dans leur parcours.
Une application de la dualité ondes-corpuscules :
le microscope électronique et des exemples d’images
bactéries
1 nm
cristal d’Aluminium
patte de mouche
33
Les électrons dans les métaux
L’ELECTRON
EST LE
COUPABLE
Electrons à la surface de cuivre mesurés par
microscope à effet tunnel. Les grands plateaux
sont les différents plans d’atomes. Les ondulations
sont les électrons, qui se comportent donc comme
des ondes à la surface de ce métal.
On a donc vu que l'électron est
une onde. Qu'en est-il alors des
métaux ? Dans un métal, un
électron est encore une onde. On
peut s'en convaincre par exemple
grâce
aux
mesures
par
microscopie à effet tunnel (STM)
(voir ci contre).
Ici, on a déposé une barrière faîte d'atomes de fer (chaque point bleue est un atome de Fer) sur du
cuivre. On voit là aussi apparaître les ondes des électrons, et même les foyers de l'ellipse.
34
L’ELECTRON
EST LE
COUPABLE
Mais la forme de cette onde n'est pas quelconque : elle adopte la forme
du réseau d'atomes.
Dans un solide, les atomes sont empilés
régulièrement. On appelle cela un cristal. La
plus part des solides qui nous entoure est ainsi,
comme le montrent les images par STM. Autour
de chaque noyau de chaque atome, les électrons
forment des nuages, comme on l’a vu ci-dessus.
Dans un métal, une partie des électrons se
"détachent" de leurs noyaux et peuvent se
déplacer librement. Ils adoptent alors une
forme de vague ondulante qui a la même
période que le cristal (l’espacement entre
maximums correspond à la distance entre
deux atomes)
Parce que l'électron-onde a adopté cette forme périodique adaptée au réseau d’atomes, il peut se
déplacer librement sans être gêné par les atomes ! Dans un cristal parfait avec des atomes
immobiles, les électrons devraient donc se déplacer sans problème et le cristal ne leur opposerait
aucune résistance. En réalité, un cristal n’est jamais parfait car il contient des impuretés (des
atomes plus gros, ou plus petits, ou bien des trous). Et même si il était parfait, la température de la
pièce dans laquelle est le cristal chauffe les atomes et les fait vibrer. Ces vibrations gênent alors
l’électron dans sa progression, car elles désordonnent le bel agencement des atomes. Plus il fait
chaud, plus cet effet est important.
La résistance électrique d’un métal vient pour l’essentiel de ces vibrations, donc de la chaleur qui
entoure le métal. Si on le refroidit à l’azote liquide, on diminue considérablement ces vibrations
en « calmant » les atomes, et les électrons circulent alors mieux. La résistance diminue. C’est
assez contre-intuitif car on aurait pu s’attendre à ce qu’en refroidissant, on gèle les électrons et
qu’ils répondent moins bien, mais c’est bien l’inverse qu’on observe : en refroidissant le métal,
celui-ci conduit mieux l’électricité car on facilite le déplacement des électrons en empêchant les
atomes de se désordonner. Voir l'expérience "Loi d'Ohm dans un métal". Il faut donc la
mécanique quantique pour comprendre ce qu'est la résistance électrique, et donc ce qui fait une
bonne partie de notre facture EDF.
35
LES SUPRACONDUCTEURS
La quantique macroscopique : les supraconducteurs
36
Le phénomène de la supraconduction
LES SUPRACONDUCTEURS
D'après ce qu'on a vu, un métal contient des électrons qui se déplacent librement sous forme
d'ondes oscillantes individuelles. Si on le refroidit, il conduit mieux l'électricité, car les ondes
circulent mieux parce que les atomes vibrent moins. Mais dans certains matériaux, un
phénomène tout à fait étrange et inattendu se produit à basse température : soudainement, la
résistance du métal chute à zéro. Voir l'expérience "Loi d'Ohm dans un supraconducteur". Ce
phénomène étrange a été découvert en 1911 par K. Ohnnes à Leiden en Hollande sur du
mercure plongé dans de l'hélium liquide. On appelle cette propriété la supraconductivité. De
façon encore plus surprenante, si on approche de ce "supraconducteur" un aimant, celui-ci se
met à léviter, tout en restant comme accroché au supraconducteur. Voir les expériences de
lévitation. Ces deux effets, résistance qui tombe à zéro et lévitation magnétique, sont
incompréhensibles si l'on s'en tient à notre description d'un métal. En effet, même dans l'azote
liquide, les atomes continuent à vibrer, donc la résistance ne devrait pas devenir nulle. Et la
lévitation non plus n'est pas compréhensible même si le matériau devient lui même un aimant,
car on ne peut pas faire léviter deux aimants l'un sur l'autre de façon stable sans qu'ils se
retournent et se collent pole sud-pole nord.
La découverte de Kamerlingh Onnes
C’est dans le laboratoire de Kamerlingh.Onnes qu’est découverte la supraconductivité, en 1911.
K. Onnes, élève d’un autre grand physicien, J.D. van der Waals, travaille au départ avec pour
objectif de parvenir à liquéfier du gaz d’hélium. Il développa pour cela le premier laboratoire
industriel digne de ce nom. En 1908, Kamerlingh Onnes et son chef mécanicien Flim réussirent
finalement a atteindre une température supérieure d’un degré seulement au zéro absolu, limite
infranchissable où tout se fige. Pour cela, ils avaient refroidi et comprimé de l’hélium gazeux
grâce a de l’hydrogène liquide, puis l’avaient ensuite soudainement détendu, le refroidissant
ainsi plus encore, au point qu’il se liquéfie. Ils ouvraient ainsi la voie à un nouveau domaine de
recherche, celui des très basses températures. Aussitôt après sa découverte, Kamerlingh Onnes
entreprit de refroidir et de mesurer les propriétés de nombreux matériaux. Il se posait en
particulier une question simple : que devient le courant électrique d’un métal dont la
température se rapproche du zéro absolu ? Les électrons continuent-ils de se déplacer comme à
température ordinaire? Ou bien, victimes du froid, préfèrent-ils s’accrocher à leurs atomes,
provoquant une augmentation brutale de la résistance électrique ? Fidèle à sa devise "Door
meten tot weten", « par l’expérience, la connaissance », Kamerlingh Onnes mesura donc la
résistance électrique du mercure refroidi par de l’hélium liquide, avec l’aide de son assistant
Gilles Holst. Et il fit alors une des découvertes expérimentales les plus stupéfiantes du XXe
siècle : non seulement la résistance n’augmentait pas, mais au contraire, elle chutait très
brutalement à zéro ! Kamerlingh Onnes venait de mettre en évidence la supraconductivité. C’est
Meissner qui, en 1933, découvrit les effets associés à la lévitation magnétique.
37
LES SUPRACONDUCTEURS
La première courbe montrant le phénomène de
supraconductivité : la résistance en Ohms est
tracée en fonction de la température en Kelvins :
on voit bien une chute soudaine à zéro vers 4.2
Kelvins.
K. Onnes et son assistant Flimm devant l’appareil
permettant de liquéfier l’hélium
L'explication de Bardeen, Cooper et Schrieffer (BCS)
Il aura fallu cinquante ans pour que les physiciens comprennent finalement l'origine de la
supraconductivité dans les métaux et les alliages. Les plus grands noms ont échoué, qu’il s’agisse
d’Einstein, de Landau ou de Feynmann. L'idée de départ à laquelle ces physiciens étaient arrivés
est pourtant assez simple : il suffit pour avoir un supraconducteur que les électrons ne se
comportent plus comme de petites ondes individuelles, mais forment tous ensembles une onde
unique, véritable tsunami de la quantique, qu'on appelle un condensât. Dans ce cas, cette vague a
une telle énergie qu'elle n'est plus sensible aux petits défauts de la matière, aux vibrations, ou aux
impuretés. Elle conduit donc l'électricité sans plus aucune résistance.
De plus, lorsqu'on approche un aimant, cela revient à approcher un champ magnétique de la
vague géante. En mécanique quantique, un tel champ magnétique déforme. Quand on impose un
champ magnétique à une telle onde quantique, cela la déforme. Mais là encore, la vague qu'on a
formé avec tous les électrons est tellement forte et cohérente qu'elle refuse de se laisser perturber
par le champ magnétique. Elle préfère alors repousser en bloc l'aimant au dessus d'elle plutôt que
de le laisser approcher. Pour faire cela, il lui suffit de se mettre à circuler le long d'anneaux au
sein du supraconducteur. Cela ne lui coûte rien puisqu'elle est supraconductrice. Lorsqu'elle
circule ainsi, cela crée un champ magnétique qui s'oppose à l'aimant et le repousse alors assez
loin pour qu'il ne soit plus gênant.
38
LES SUPRACONDUCTEURS
Cependant, les choses ne sont pas si simples : en effet, la mécanique quantique interdit à priori
de mettre tous les électrons dans une vague unique. C'est le principe d'exclusion de Pauli,
principe intangible et qui a permis entre autres d'expliquer la classification périodique des
éléments. La seule façon de contourner ce principe, ce serait de parvenir à regrouper les
électrons par deux, car dans ce cas, ce principe ne s'applique plus (on parle de fermions pour les
électrons, et de bosons pour les paires d'électrons). Problème : on ne peut regrouper par deux les
électrons car ils sont tous deux de charge électrique négative et se repoussent donc. C'est là
qu'intervient le coup de génie de Cooper au milieu des années 50.
Léon Cooper propose un mécanisme astucieux pour que deux électrons parviennent à s'attirer
l'un l'autre malgré leur charge négative. Léon Cooper imagine un électron qui se déplace dans
un métal. L'électron est négatif, et les atomes du métal positifs (puisqu'ils ont perdu des
électrons). Voici ce qui se passe à basse température :
Le premier électron (en rouge)
passe au milieu des atomes bleus
et les attire à son passage, car il
est négatif, et ils sont positifs
électriquement.
Lorsqu'un deuxième électron
arrive, il ne voit plus le premier
mais voit que les atomes ne sont
plus régulièrement espacés.
Il va choisir d'aller au centre, là où
les atomes sont les plus serrés, car
c'est l'endroit le plus positif
électriquement. Il est en train de
suivre le premier sans s'en rendre
compte.
Les deux électrons s'attirent l'un l'autre sans s'en rendre compte, à travers les déformations qu'ils
provoquent dans les rangées d'atomes. On appelle cette paire d'électrons une paire de Cooper. A
partir de là, avec l'aide de John Bardeen et Robert Schrieffer, Cooper développe une théorie où
ces paires d'électrons se mettent toutes ensembles pour former le tsunami supraconducteur, plus
rien ne les en empêche. Cette théorie permet d'expliquer tous les résultats expérimentaux
quantitativement. On sait par exemple maintenant détecter et mesurer ces paires d'électrons.
C'est un des grands succès de la physique quantique du XXème siècle, et une des plus belles
théories qui existe.
39
LES SUPRACONDUCTEURS
L’introduction de l’article expliquant la supraconductivité, en 1957
Mais malheureusement, cette théorie prédit
aussi qu'aucun supraconducteur ne pourra
fonctionner sur ce principe au dessus d'à peu
près -240°C, car au delà, les atomes vibrent
trop, et ne retiennent plus la mémoire du
passage des électrons. Et en effet, tous les
matériaux connus alors ne sont plus
supraconducteurs quand on les chauffe trop,
aucun ne dépassant la limite de -240°C.
Cooper et Schrieffer lors de la remise du Prix Nobel
1986 : la découverte de nouveaux supraconducteurs extraordinaires
C'est en 1986 que survient le choc : deux suisseallemands, Bednorz et Muller, découvrent que de
nouvelles céramiques présentent de la supraconductivité
au delà de la limite de - 240°C. Puis les records se
succèdent, et peu de temps après, on parvient à
synthétiser des céramiques analogues présentant une
supraconductivité jusqu'à -120°C. C'est encore froid,
mais bien au dessus de la température de l'azote liquide,
facile à produire, facile à transporter. Et cela met en
échec la théorie BCS. Attention, cette théorie reste tout à
fait valide dans les supraconducteurs conventionnels
comme le mercure ou les autres métaux. Mais dans ces
céramiques faîtes de cuivre et d’oxygène, il faut trouver
une autre explication.
Bednorz et Müeller
Cela fait vingt ans maintenant. Plus de vingt mille papiers parus sur le sujet. Et toujours pas
d'explication cohérente qui satisfasse toute la communauté. Le mystère reste entier. Plusieurs
rebondissements ont jalonné ces vingt ans. Dernier en date, la découverte en 2008 au Japon et en
Chine de nouveaux supraconducteurs, les « oxypnictides », où des atomes de Fer et d’arsenic
remplacent les cuivres et les oxygènes. Là encore, on ne sait pas d’où vient la supraconductivité,
et là encore, de grands espoirs animent les chercheurs d’enfin comprendre une des plus grandes
énigmes scientifiques du XXIème siècle.
40
A QUOI SERT LA
SUPRACONDUCTIVITE
?
A QUOI SERT LA SUPRA-CONDUCTIVITE ?
Plusieurs applications technologiques ont été développées grâce aux supraconducteurs. Soyons
honnête : on est bien loin des applications d’autres découvertes de la quantique, comme les
transistors. Mais on peut cependant en évoquer quelques unes, déjà présentes ou à venir.
41
Le transport d'électricité
A QUOI SERT LA
SUPRACONDUCTIVITE
Quand un courant électrique circule dans un fil, cela chauffe le fil par effet
Joule, et cette chaleur est perdue, ce qui diminue la quantité d'électricité
transportée. EDF perd par effet Joule à peu près un milliard d'euros chaque
année. Une façon d'y remédier est d'utiliser des câbles supraconducteurs. Il
n'y a plus de résistance donc plus d'effet Joule. De plus, le câble
supraconducteur n'émet pas de champs électromagnétiques, par rapport aux
câbles haute tension habituels. Il occupe bien moins de place en transportant
la même puissance. Mais il faut refroidir ce câble tout le long à l'azote liquide
ce qui est compliqué et peu rentable. Une première installation a pu être
réalisée à New York récemment (voir ci-dessous).
?
Taille comparée de câbles traditionnels en cuivre ("copper cables") et de câbles supraconducteurs
délivrant la même puissance. Le supraconducteur occupe moins de place.
A Holbrook, près de New York, des câbles de nouveaux supraconducteurs ont été récemment installés pour
la première fois. On voit qu'ils occupent moins de place que des câbles traditionnels, une fois enterrés.
42
L'IRM et les champs magnétiques
A QUOI SERT LA
SUPRACONDUCTIVITE
?
Si on veut produire un champ magnétique élevé, les aimants traditionnels ne suffisent pas. Il
faut utiliser une bobine de fil dans laquelle on fait circuler un courant électrique. Plus le courant
est important, plus le champ est élevé. Mais au delà d'une certaine valeur, la bobine chauffe
trop, toujours par effet Joule. Et elle fond. On peut la refroidir avec un circuit d'eau, mais c'est
très coûteux. Une autre solution plus simple consiste à utiliser une bobine faîte de fil
supraconducteur plongée dans l'azote ou l'hélium. Dans ce cas, il n'y a plus d'échauffement, car
plus de résistance électrique. Mieux encore, on y fait circuler un courant au début, puis on la
referme sur elle même, et le courant continue alors de circuler indéfiniment. On n'a plus besoin
d'alimenter à nouveau en courant la bobine.
Les champs magnétiques élevés servent dans les laboratoires pour étudier ce que devient la
matière et son magnétisme dans des situations extrêmes. Les champs les plus élevés sur Terre
sont produits par des laboratoires spécialisés, en Floride, à Los Alamos, mais aussi en France, à
Grenoble et Toulouse, en France, au laboratoire des champs intenses, où on peut atteindre des
champs jusqu'à 60 Tesla (soit un million de fois le champ produit par la Terre qui oriente les
boussoles). Les champs magnétiques servent aussi aux accélérateurs de particules comme le
LHC au Cern, où des particules sont accélérées le long d'un parcours circulaire grâce à des
bobines supraconductrices placées le long du parcours. Le CERN est le premier consommateur
de supraconducteurs au monde. Enfin et surtout, les champs magnétiques sont nécessaires pour
l'IRM dans les hôpitaux, et ce sont des bobines supraconductrices qui se cachent dans les tores
ou cylindres creux dans lesquels le patient pénètre pour l'examen. Outre cette bobine
supraconductrice, le principe même de l'IRM est lui aussi purement quantique, comme déjà
expliqué dans le chapitre sur « la quantique au quotidien ».
Bobines supraconductrices au coeur du LHC, le nouvel
accélérateur de particules du CERN.
Bobine supraconductrice dans un
appareil d'IRM à l'hôpital
43
A QUOI SERT LA
SUPRA-
D'autres applications
CONDUCTIVITE
?
On peut utiliser les supraconducteurs pour fabriquer des SQUIDS, les détecteurs les plus
sensibles au champ magnétique qui existent. Cela permet par exemple de faire de l'imagerie un
peu comme un encéphalogramme. Ces squids pourraient aussi être utilisés pour faire les
ordinateurs quantiques de demain. Les supraconducteurs servent aussi à faire d'excellents filtres
en électronique, en particulier dans le domaine des hyperfréquences, ce qui permet de les utiliser
dans certains relais de téléphones portables.
Un SQUID est un petit anneau
supraconducteur cassé en deux points. C'est
un dispositif extrêmement sensible à tout flux
magnétique.
Le squid peut être utilise ici pour faire de
l'imagerie magnétique du cerveau humain.
Il peut aussi être utilisé pour des dispositifs
électroniques qui pourraient servir à faire des
ordinateurs quantiques.
44
LES
EXPERIENCES
LIVE
Pour toutes les expériences de lévitation, le phénomène observé dépend de la nature de la
pastille supraconductrice utilisée. Il y a trois types de pastilles : à faible ancrage, à ancrage
intermédiaire, à fort ancrage. Quand on approche un aimant d’une pastille refroidie et
supraconductrice, il apparaît des vortex au cœur du supraconducteur, face aux aimants. Dans
une pastille à faible ancrage, ces vortex ne sont pas bien accrochés (ancrés) dans le supra, de
sorte qu’on peut ensuite enlever ou remettre l’aimant sans difficulté. Dans ce cas, la façon de
refroidir le supra ne compte pas. Par contre, dans une pastille à fort ancrage, les vortex sont
piégés avec une force telle qu’il est difficile d’en mettre d’autre ensuite, ou bien de les enlever.
Autrement dit, si on refroidit ces pastilles en présence d’un aimant (ou d’un rail aimanté), le
supra voudra toujours se remettre dans cette configuration qu’il a connue au moment du
refroidissement. Au contraire, si on le refroidit hors des aimants, il sera très difficile après coup
d’approcher un aimant. La seule solution est alors de réchauffer la pastille, pour chasser
définitivement les vortex (qui disparaissent dés que la pastille n’est plus supra).
aimant
Ci-contre, l’aimant crée un champ magnétique
représenté par les lignes rouges (les lignes de
champ). Ce champ magnétique crée des colonnes de
flux magnétique dans le supraconducteur, appelées
vortex, qui viennent se mettre face à l’aimant. Selon
les pastilles, ces colonnes seront plus ou moins bien
ancrées dans le supraconducteur.
vortex
supraconducteur
45
LES
EXPERIENCES
LIVE
Quelques conseils et astuces pour les manipulations
Le train supraconducteur : toujours réfléchir dans quelle situation magnétique on refroidit le
supraconducteur. Pour les expériences de train et de pastilles à fort ancrage, penser à refroidir le
supraconducteur dans la situation dans laquelle on souhaite qu’il reste ensuite, en utilisant une
calle. Si on veut utiliser le train ou la pastille dans un nouveau dispositif (autre rail, autre
aimant), le réchauffer d’abord en vidant l’azote et en soufflant dessus jusqu’à ce qu’il ne lévite
plus, puis le placer dans la nouvelle situation que l’on souhaite.
Les aimants : bien penser à écarter les différents rails aimantés les uns des autres pour éviter
qu’ils ne se collent, et bien les écarter des aimants individuels utilisés pour la lévitation simple.
Il vaut mieux, après toute expérience utilisant un aimant ou un rail aimanté, ranger celui-ci avant
de passer à la suite. Vérifier si la table sur laquelle on se place n’est pas elle-même magnétique,
sans quoi au lieu d’une lévitation, on verra l’aimant se coller au supraconducteur (il est en fait
plus attiré par la table que repoussé par le supraconducteur). Prendre bien garde de ne pas
approcher les rails aimantés des ordinateurs (et surtout des disques durs).
L’azote dans le train : Pour maintenir le train (gobelet) supraconducteur froid plus longtemps, le
remplir d’azote liquide, attendre quelques secondes puis remplir à nouveau, puis bourrer le tout
d’un gros bout de coton bien enfoncé qui remplit tout le gobelet. On peut ensuite verser de
l’azote sur le coton, qui sert de réserve de froid. Attention, ne jamais prendre ensuite le coton
avec les doigts, on se brûlerait.
Si la soucoupe en verre casse: La soucoupe est paradoxalement l’élément le plus fragile dans la
lévitation (grand classique par exemple : si un deuxième aimant approché par inadvertance
vient se coller brutalement à un premier aimant de part et d’autre d’une paroi de la coupelle. On
peut, en solution de secours, tailler dans un bloc de polystyrène quelconque une forme creuse
qui fera l’affaire.
La loi d’Ohm dans un supra : Ne jamais refroidir deux fois de suite un supraconducteur dans
cette expérience, car les contacts et les soudures vont se briser.
Les lévitations : Toujours avoir près de soi un bout de papier ou un ticket de métro pour le
glisser entre le supra et l’aimant pour bien montrer que ça lévite.
Entretien des pastilles et des aimants :
Il est préférable de ne jamais laisser les pastilles se givrer ou être dans une atmosphère humide,
car cela les dégrade. Pour éviter cela, toujours prendre soin de les sécher après qu’elles se
réchauffent, et ne pas laisser la couche de givre se former dessus (on peut les sécher par exemple
au sèche cheveu). Pour les aimants, c’est moins critique car ils sont moins chers. Ils sont
cependant fragiles, et un simple coup de marteau permet de les briser. On peut aussi facilement
les écailler lors de chocs car ils sont recouverts d’une fine couche de nickel, mais sont assez
friables.
46
LES
EXPERIENCES
LIVE
Lévitation supraconductrice simple
Matériel : Une pastille à faible ancrage, un aimant gros (pour que ce soit plus spectaculaire), une
coupelle, de l’azote liquide
Objectif : Montrer qu’un aimant lévite au dessus d’un supraconducteur.
1. Montrer au public que l’aimant ne
colle pas à la pastille à chaud.
3. Puis placer l’aimant (le pousser un
peu en forçant à plat)
2. Refroidir la pastille (sans l’aimant)
4. Il lévite alors, mais si on retourne le supra, il
tombera
Explication : Dans cette pastille, l’ancrage est faible. A l’approche de l’aimant, le supra va le
repousser car il refuse la présence de champ magnétique. D’où la lévitation. En fait, quelques
vortex vont quand même se piéger face à l’aimant dans le supra, et sont un peu piégés. C’est ce
qui fait la stabilité de l’aimant, et qui fait que si l’on déplace la pastille supra, elle «emmène »
l’aimant avec elle. Il est quand même un peu piégé, c'est-à-dire qu’il veut rester face aux vortex
qu’il a créés dans le supra. Mais si on retourne le tout, l’aimant tombe, car il n’est pas si bien
piégé.
47
LES
L’effet Meissner
EXPERIENCES
LIVE
Matériel : Une pastille à ancrage intermédiaire (vendue par Can superconductors), une coupelle,
un aimant fin, de l’azote liquide
Objectif : Montrer lorsqu’un aimant se met à léviter pendant le refroidissement d’un
supraconducteur
1. Placer l’aimant bien au centre du
supraconducteur
3. lorsque le supraconducteur refroidit
suffisamment, la pastille va se mettre à léviter
2. Refroidir délicatement le supraconducteur (sans trop
mettre d’azote pour éviter que le supra ne flotte)
4. Elle lévite, mais n’est pas bien accrochée au
supraconducteur.
Explication : C’est ici le vrai effet Meissner caractéristique du supraconducteur. Lorsqu’il devient
supraconducteur, le matériau ne supporte plus la présence de champ magnétique en son sein, et va
donc préférer repousser en bloc l’aimant. Ici, l’ancrage est faible, donc l’aimant n’est pas piégé.
Si on fait la même expérience faîte sur une pastille à fort ancrage, l’aimant restera collé au
supraconducteur, car des vortex apparaissent face à l’aimant qui le piègent et l’empêchent de
bouger.
48
LES
EXPERIENCES
LIVE
Lévitation pour une pastille à fort ancrage
(la même qu’on utilise pour le train)
Matériel : une pastille à fort ancrage, une cale, un aimant, de l’azote liquide
Objectif : montrer la lévitation avec un fort ancrage
1. Placer une cale sur le supraconducteur et
l’aimant au dessus.
3. Après une minute, retirer la cale.
2. Puis refroidir le tout à l’azote.
4. On peut alors si la pastille est à fort
ancrage retourner celle-ci, l’aimant reste
accroché.
Explication : la pastille est ici à fort ancrage. Quand on refroidit en présence de l’aimant, au
moment où le matériau devient supraconducteur, il apparaît en son sein des vortex, qui se
placent le long du champ magnétique créé par l’aimant (voir figure XX). L’aimant est dans ce
cas comme accroché, piégé par le supraconducteur, car les vortex ne veulent plus bouger, et
préfèrent donc garder face à eux l’aimant qui les a engendrés. C’est valable même si on retourne
la pastille (attention, c’est froid, le faire avec une pince)..
49
LES
Montrer l’ancrage et les vortex
Matériel : le gobelet-train supraconducteur (pastille à fort ancrage),
une cale, un aimant, un trombone, de l’azote liquide
Objectif : montrer ce qu’est le piégeage des vortex
1. on place une cale entre l'aimant et le
gobelet dont le fond est supraconducteur
3. On soulève le gobelet :
l'aimant est piégé dessous.
5. On enlève l'aimant
7. On enlève l'aimant et on approche un
trombone (ou un trousseau de clés)
EXPERIENCES
LIVE
2. après avoir rempli le gobelet d'azote liquide et
attendu assez qq minutes, on enlève les cales
4. Même si on le fait pivoter, il reste piégé
toujours dans le même axe.
6. On ramène à nouveau l'aimant : il s'arrache aux
doigts pour se remettre exactement au même endroit
8. Le trombone vient se coller au fond supraconducteur du
gobelet, comme si celui ci était un aimant.
50
LES
Explication : la pastille est ici à fort ancrage. Quand on refroidit en présence
de l’aimant, au moment où le matériau devient supraconducteur, il apparaît
en son sein des vortex, qui se placent le long du champ magnétique créé par
l’aimant (voir figure XX). Quand on enlève l’aimant, certains de ces vortex
restent piégés dans le supraconducteur. Si on ramène alors l’aimant, celui-ci
va se replacer exactement là où il était, car il veut se remettre en face des
vortex qu’il a lui-même engendrés. Les vortex sont comme une empreinte
magnétique laissée par l’aimant derrière lui. Si maintenant on approche
n’importe quel métal magnétique (trombone, clé, …), il va se coller sur le
supraconducteur. En effet, les vortex se comportent comme de petits aimants
à leur tour. Cela prouve donc leur présence. Si on avait un microscope
sensible au magnétisme, ou de la limaille de fer très fine, on pourrait
visualiser ces vortex, qui sont comme de petites colonnes.
EXPERIENCES
LIVE
Le sandwich supraconducteur
Matériel : une pastille supra à fort ancrage, un gobelet-train supra à fort ancrage, des
calles, une coupelle, de l’azote liquide
Objectif : faire un sandwich supraconducteur, sorte de hamburger du froid.
1. Placer un aimant sur une pastille
à fort ancrage séparé par une cale
3. Après une minute, enlever la cale
2. Refroidir le tout à l’azote liquide
4. Placer la cale au dessus de l’aimant
(maintenir dans l’azote liquide la coupelle
pour la suite).
51
LES
EXPERIENCES
LIVE
5. Placer sur les cales le gobelettrain à fort ancrage.
7. Après une minute (ou moins si il était
déjà froid), retirer les cales
9. On peut soulever ce sandwich (utiliser
une pince pour ne pas se brûler).
11. Il continue de flotter tant que la
pastille est supraconductrice 1
6. Remplir d’azote liquide le gobelet
8. Et voilà notre sandwich supra-aimant-supra qui flotte.
Noter que le beurre est ici de l’air : c’est diététique.
10. On peut le retourner.
12. Au bout de 10-20 secondes, le tout s’écroule, les
pastilles noires s’étant réchauffé.
Explication : On utilise ici exactement le même principe que pour le train ou la pastille à fort ancrage.
52
LES
Le train supraconducteur
Matériel : un gobelet-train supraconducteur (pastille à fort ancrage), une cale, un
rail aimanté, de l’azote liquide
Objectif : Montrer comment on peut se servir de la lévitation et de l’ancrage pour
faire un petit train.
EXPERIENCES
LIVE
2. On place le gobelet-train sur une calle au
dessus du rail.
3. On refroidit à l’azote liquide
5. Le train lévite au dessus du rail
(faire passer une feuille de papier
pour le montrer).
4. Après une minute (ou moins si le train
est déjà froid), on peut enlever la cale.
6. On peut alors faire se déplacer le train
le long du rail. Il rebondira aux deux
extrémités
7. On peut même retourner le rail, le train reste accroché (pour cela, mettre avant un bouchon, ou bien
bourrer le gobelet de coton et le remplir à nouveau d’azote
53
Explication : La lévitation est identique à celle effectuée pour une pastille à fort
ancrage, mais à l’envers. Lorsqu’il est devenu supraconducteur, des vortex sont
apparus en son sein, face aux aimants. Quand on enlève la calle, le train ne veut
plus changer de champ magnétique et veut garder face à lui les mêmes aimants
que quand on l’a refroidit. Mais le rail est tapissé d’aimants disposés toujours
pareil, donc le train peut s’y déplacer, il ne voit pas de différence
« magnétique ». Par contre, il ne quitte pas le rail pour ne pas passer dans une
zone sans champ, car ses vortex l’en empêchent. De même si on le retourne.
LES
EXPERIENCES
LIVE
Utiliser un train pour montrer l’ancrage
Matériel : n’importe quel train (droit, boucle, hoolahoop)
Objectif : montrer que le supraconducteur se souvient de sa position, ce qui
montre la présence des vortex et l’ancrage.
1. Refroidir comme d’habitude le train supraconducteur.
Placer un repère sur le train pour visualiser sa position
(ici un trombone)
3. Ramener le train près du rail.
2. Enlever le train du rail, l’éloigner, puis
le tourner de 90°
4. Le train va s’arracher à la main et se replacer comme
avant, ou bien à 180°. Il se souvient de sa position initiale.
On peut aussi essayer de le tourner sur rail et montrer
qu’il n’accepte qu’une rotation de 180°
Explication : La pastille ici à fort ancrage a pris l’empreinte magnétique du rail : des vortex se sont
placés en son sein face aux aimants du rail. Quand on enlève le train, les vortex restent piégés dedans.
Donc quand on le ramène, les vortex veulent se replacer face aux aimants. Par contre, tourner le tout
de 180° ne change rien car les aimants vus par le train sont disposés pareil.
54
LES
EXPERIENCES
LIVE
Le grand train supraconducteur
Matériel : Un rail aimanté en boucle
Objectif : s’amuser avec un train supraconducteur et faire participer le public
1. Pour refroidir le train, procéder comme avec le train
simple.
On peut faire tourner le train soit en le poussant, soit en demandant dans le public l’aide de
quelqu’un. Se placer de part et d’autre de la plaque, et la pencher en va et vient pour accélérer le
train. On peut également la retourner et faire tourner le train à l’envers.
Explication : Voir train droit.
55
Le Hoolahoop supraconducteur
LES
Matériel : le gobelet-train supraconducteur, une cale, un hoolahoop pavé
d’aimants, de l’azote liquide
Objectif : rire
EXPERIENCES
LIVE
1. Les rails du hoolahoop sont tous tapissés
avec une alternance sud-nord-sud
2. Voici le hoolahoop (attention à ne pas
l’approcher d’autres aimants)
3. On place le gobelet supraconducteur
sur la cale
4. On remplit le gobelet d’azote liquide.
5. Une fois le gobelet assez froid (une
minute la première fois), on enlève les
calles. Mettre soit un capuchon, soit
bourrer de coton le gobelet.
7. On peut montrer au public qu’il tient
dans toutes les positions.
6. On peut alors faire le hoolahoop. Prendre soin à la position
des mains pour ne pas empêcher le mouvement. Toujours
maintenir froid le gobelet en reversant de l’azote.
8. On peut passer la tête dedans.
56
LES
EXPERIENCES
LIVE
9. On peut aussi utiliser un hoolahoop où les
aimants sont à l’extérieur.
7. On procède de même qu’avant, mais en
plaçant l’aimant en haut en équilibre pdt le
refroidissement.
6. Il faut un bras pour le faire tourner.
8. Prendre garde là au réchauffement car si il
lâche, le train part direct sur les côtés et peut
blesser.
Explication : la même que pour le train.
57
LES
La loi d’Ohm pour un métal
EXPERIENCES
LIVE
Matériel : de l’azote liquide, un oscilloscope, une source produisant une
rampe de courant (10 à 100 mA) et mesurant la tension avec amplification
(de l’ordre d’un facteur 100), un fil de cuivre fin et long (1 mètre) avec
deux soudures courant et deux soudures tension
Objectif : Montrer que la résistance électrique d’un métal se mesure avec
la loi d’Ohm et chute d’un facteur 3 à 4 quand on refroidit le métal à la
température de l’azote liquide.
1. Le fil de cuivre dont on mesure la
2. Quand on y fait passer un
résistance est ici sous forme de
courant i, il apparaître une tension
bobine pour occuper moins de place.
U.
4. On plonge le cuivre dans l’azote
liquide.
5. La droite s’affaisse.
3. L’oscillo représente U fonction
de i, donc la pente de la droite qui
apparaît est la résistance électrique
R. Plus la droite est verticale, plus
le métal résiste.
6. A la fin, la pente a chuté d’un
facteur 3 à 4. Autrement dit, le
métal conduit 3 à 4 fois mieux . Si
on retire le cuivre, la droite revient
à sa position initiale.
Explication : La résistance électrique dans le métal vient de la vibration des atomes dans le métal
qui gêne les électrons. Quand on refroidit le métal, les vibrations diminuent, et les électrons se
déplacent alors mieux. On peut même dire ici que les vibrations ont réduit en amplitude d’un
facteur 3 à 4 entre la température de la pièce (20°C, soit en gros 300 Kelvin) et la température de
l’azote (77.4K soit en gros -200°C). Logique car on réduit la température de 300 à 77, soit là
aussi d’un facteur 3 à 4.
58
LES
La loi d’Ohm dans un supraconducteur
EXPERIENCES
LIVE
Matériel : de l’azote liquide, un oscilloscope, une source produisant une rampe de
courant (10 à 100 mA) et mesurant la tension avec amplification (de l’ordre d’un
facteur 100), un barreau supraconducteur et ses soudures (très fragile)
Objectif : montrer que contrairement à un métal, lorsqu’un matériau devient
supraconducteur, sa résistance électrique tombe à zéro.
1. Le barreau supra noir a quatre soudures, deux pour amener le courant i, deux pour mesurer la tension U
2. A la température de la pièce, le barreau montre la
même droite qu’un métal, dont la pente est la résistance.
6. La droite s’affaisse, comme pour
un métal normal.
5.On le refroidit dans l’azote liquide..
7. Mais soudainement, elle s’aplatit 8. La résistance est ici nulle. Il y a du
complètement.
courant, mais pas de tension.
Explication : Au début, c’est le même phénomène que dans un métal comme le cuivre, les
vibrations des atomes diminuent quand on refroidit, et les électrons se déplacent plus facilement.
Mais quand le matériau devient supraconducteur, la résistance devient rigoureusement nulle. On
ne peut plus expliquer cela avec des électrons individuels se déplaçant parmi des atomes. Les
électrons sont maintenant dans un nouvel état, le condensât supraconducteur. Notez que les
mesures les plus fines montrent que la résistance est bien rigoureusement nulle.
59
Sur l’azote liquide
Questions
Réponses
A quelle température est l'azote liquide ?
A 77.4 Kelvin, soit -196°Celsius. C'est froid...
Comment on en fabrique ?
En liquéfiant de l'azote gazeux. Un gaz, ce sont des atomes qui s'agitent. Pour le liquéfier, il faut
le refroidir donc ralentir ses atomes. Pour cela, on peut par exemple le faire soudainement
passer d'un volume petit à un volume plus grand. Cela l'oblige à séparer ses molécules les unes
des autres pour occuper le grand espace, ce qu'elles n'aiment pas. Les particules doivent donc
donner de leur énergie pour se séparer, ce qui les ralentit. Si cela ne suffit pas pour liquéfier le
gaz, on peut utiliser le même principe, mais en boucle. Pour cela, on fait en permanence passer
le gaz d'un petit volume vers un grand volume via un petit passage poreux, en poussant d'un
côté et en pompant de l'autre. Là encore, cela le refroidit, mais on peut alors réinjecter le gaz
refroidit dans le petit volume et recommencer en boucle, ce qui finalement va permettre de le
liquéfier.
Pourquoi ça bout alors que c'est froid ?
En fait, l'azote s'évapore en permanence au contact de l'air qui est très chaud pour lui.
Pourquoi ça ne s'évapore pas tout de suite ?
L'azote s'évapore un peu, mais ensuite, la vapeur d'azote reste à la surface du liquide et le
protège comme un couvercle.
Pourquoi nos doigts ne se mouillent pas et ne se transforment pas en glaçon quand on plonge
la main dans l'azote ?
C'est la caléfaction : au contact de nos doigts, l'azote s'évapore tellement ils sont chauds pour
lui. Donc nos doigts sont enrobés de cette couche de vapeur qui les protège du liquide. Mais si
on laisse longtemps la main, la vapeur refroidit les doigts suffisamment pour que l'azote puisse
finalement mouiller les doigts, et on se brûle alors très violemment.
Pourquoi les gouttes d'azote flottent sur le sol quand on le verse ?
C'est là aussi la caléfaction : l'azote s'évapore au contact du sol qui est très chaud pour l'azote.
Puis il flotte sur sa propre petite couche de vapeur, qui fait un dixième de millimètre de haut,
jusqu'à ce qu'il s'évapore complètement. On observe le même phénomène quand des gouttes
d'eau tombent sur une plaque électrique, elles flottent sur leur propre coussin de vapeur d'eau.
Est-ce que c'est cher ?
Non, c'est de l'ordre du prix de l'eau minérale. Mais on n'en livre pas aux particuliers car c'est un
peu dangereux d'utilisation
Est-ce que c'est dangereux ?
Ce n'est pas toxique, c'est dangereux à cause de sa température. Si de l'azote reste longtemps
(plus de qq secondes) au contact de votre peau, vous vous brûlez violemment. C'est également
dangereux partout où une poche peut se créer car alors l'azote y stagnera et brûlera (exemple :
oreille, oeil, manche de pull-over, main qu'on ne maintient pas plate quand on plonge, etc). Si
vous voulez faire plonger la main dans l'azote au public, il faut leur demander de relever la
manche, de tenir la main bien plate, de rentrer et ressortir très vite. De votre côté, tenez toujours
le peau à azote de façon à le reculer vous même en arrière si la personne n'enlève pas sa main
assez vite.
60
Sur les aimants
Questions
Réponses
En quoi sont-ils faits ?
Ce sont des aimants faits dans un alliage de néodyme, de fer et de bore, recouverts d'une fine
couche protectrice de Nickel. Le champ magnétique à la surface de l'aimant vaut en gros 0.1 à 1
Tesla, soit 1000 à 10000 fois le champ terrestre. Mais quand on s'en écarte, il diminue très vite,
et à une dizaine de centimètre, l'aimant n'a plus aucun effet. Ce sont les meilleurs aimants qu'on
sache faire.
Combien ça coûte ? On peut en acheter ?
Ils coûtent de l'ordre de 10 centimes d'euro pièce. On peut en acheter par exemple sur internet
sur le site www.supermagnete.fr qui vent aussi pleins d'autres produits rigolos (ferrofluides,
détecteurs de flux...)
Sur les supraconducreurs
En quoi sont-ils faits ?
Ce sont des oxydes faits dans les démos d'Yttrium, de Baryum, de Cuivre et d'Oxygène.
Combien ça coûte ? On peut en acheter ?
Pour une simple lévitation, cela coûte quelques dizaines d'euro pièce. Pour le train, c'est plutôt
150 €. Mais cela ne sert à rien d'en acheter si on n'a pas accès dans un laboratoire à de l'azote
liquide. (renvoyer vers mon site www.vulgarisation.fr où on donne des adresses)
Ils sont toxiques ?
Non, ce sont des oxydes non toxiques.
On en trouve dans la nature ?
Non, ils ont été inventés en laboratoire. Pour en obtenir un, on prend des oxydes (ici, oxyde de
Baryum, d’Yttrium, de cuivre), on les met dans les bonnes proportions, on les broie, on les
chauffe vers 1000°C, on les refroidit, et voilà. Pour l’obtenir c’est facile. Mais pour en obtenir
de bons, purs, résistants, etc.…, ça a pris 20 ans aux meilleurs chimistes au monde. Et on n’y
arrive pas encore si bien que ça.
Dans les IRM des hôpitaux, ce sont aussi des oxydes comme les pastilles noires ?
Non car c'est plus difficile de faire des fils fins avec ces oxydes (on commence à y arriver mais
pas encore assez bien pour les IRM). On utilise plutôt des alliages métalliques de Titane, d'étain
et de niobium, dont la Tc est seulement de l'ordre de 10 Kelvin. Cela oblige donc à plonger ces
bobines dans de l'hélium liquide et non de l'azote liquide. Les hôpitaux sont donc régulièrement
livrés en hélium liquide pour remplir leurs IRM.
61
Comment fonctionne le vrai train supraconducteur
au Japon ?
Questions
Réponses
En fait, le train supra qui lévite (en marche au Japon) ne fonctionne pas exactement comme
notre démo. A bord du train, il y a des bobines supraconductrices dans lesquelles on fait circuler
un courant qui produit un champ magnétique comme les bobines d'IRM. Puis le train est placé
sur des rails. Les rails ne sont pas de simples aimants comme dans notre cas, mais sont formés
de bobines en fil métallique qui se situent parallèlement aux parois verticales du train. Quand le
train passe, le champ magnétique produit par le supra induit une aimantation dans les bobines
métalliques, un peu comme les deux bobines d'un transformateur. La géométrie utilisée permet
la lévitation verticale et la stabilisation horizontale via l’action des forces : quand le train passe,
ses bobines induisent un courant opposé dans chaque bobine verticale, d’où apparition des
forces : les bobines en bas poussent vers le haut le train, et celles en haut le tirent vers le haut,
d’où lévitation verticale.
bobines
supras
bobines
supras
Le train supraconducteur vu de face stabilisé par induction latérale
bobines
supras
bobines
supras
Le train supraconducteur vu de haut en mouvement par induction.
Enfin, la propulsion du train n’est pas assurée par une propulsion de type fusée à bord du train,
mais par induction électromagnétique. Un autre jeu de bobines est également placé le long des
parois du rail avec pôles alternés (sens de l’enroulement alterné). De plus, à bord du train,
plusieurs bobines supras sont en fait placées, avec pôles alternés également. Quand le train passe,
on fait circuler dans les bobines du rail un courant qui induit un champ, qui agit sur le train pour
le tirer à l’avant et le pousser par derrière, de sorte que le train avance.
62
Questions
Réponses
Pourrait-on faire léviter un objet plus lourd ? et plus haut ?
Plus lourd : oui. Des japonais ont déjà fait léviter un lutteur de Sumo (voir ci-contre)
Plus haut : non. Le maximum, c'est en gros quelques centimètres, pas plus. Au delà, le champ
magnétique créé par l'aimant n'a plus assez d'effet sur le supraconducteur. Ou sinon, il faudrait
produire un champ très élevé sur un très gros supraconducteur et c'est bien plus compliqué.
Qu’est ce qu’on ne comprend pas dans les nouveaux supraconducteurs à haute Tc comme
celui utilisé dans les expériences ?
On ne comprend pas comment deux électrons s’attirent. Ce n’est probablement pas les
vibrations du réseau. Preuve simple : on remplace l’oxygène 16 par 18, donc masse plus grande.
On devrait alors voir Tc réduite de 5 Kelvin si vibrations responsables de la supra. Et on voit
seulement 0.3 Kelvins !
Quelle solution alors ? C’est peut-être du aux fortes corrélations justement : ces corrélations
magnétiques permettraient justement aux 2 électrons de s’attirer ici. Pleins d’autres pistes.
Insister que c’est un sujet ouvert où pleins de chercheurs travaillent, avec des dizaines de
modèles différents. Même si aucun ne marche complètement, ces modèles ont, depuis, servi
dans pleins d’autres cas. Donc ce n’est jamais inutile de chercher, même si on trouve une
mauvaise solution !
Qu’est ce qui se fait actuellement comme recherche sur les supraconducteurs ?
Plusieurs pistes : refaire les mêmes expériences sur de meilleurs échantillons, on voit de
nouveaux effets et on comprend mieux la physique
faire de nouvelles expériences grâce à des améliorations techniques, par exemple en ce moment,
nouvelles manips de microscopie par effet tunnel enfin possibles qui permettent de voir atome
par atome les supras et d’en comprendre les propriétés individuelles énergétiques. Du côté
théorique, on commence à savoir développer les outils théoriques pour comprendre ces
systèmes. On essaye aussi de trouver d’autres supras pour voir ce qu’il y a de différent et
d’identique : par exemple on a découvert que les nanotubes de carbone sont supras ; on a
découvert une famille à base de cobalt qui devient supra quand on y met de l’eau ! On vient
même de découvrir une nouvelle famille de supraconducteurs au fer et à l'arsenic qui excite
beaucoup les chercheurs actuellement.
63
Sur la mécanique quantique
Questions
Réponses
Quelle est la différence entre un métal et un isolant ?
On a là encore dû attendre la mécanique quantique pour comprendre d’où vient que certains
matériaux conduisent bien le courant et d’autres non. La différence vient pour l’essentiel du
nombre d’électrons qui conduisent le courant. Dans un métal, beaucoup d’électrons participent
(tous ceux au niveau de Fermi, mais ne pas se lancer dans l’explication de la mer de Fermi).
Dans un isolant, il y en a aussi beaucoup, mais ils ont une barrière en énergie (gap) qui les
empêche d’être facilement excités. Donc on arrive à en exciter un nombre très faible (insister
sur les ordres de grandeur : plusieurs ordres de grandeur entre nb de porteurs dans métal et
isolant, et plusieurs ordres de grandeur entre les resistitivités : faire comparer le cuivre et le
corps humain par exemple). Dépendance en température : dans le métal, il y a en gros toujours
le même nb de porteurs, et ce sont les défauts et vibrations du cristal qui vont être gênants. Dans
l’isolant, même si ces effets existent toujours, ce qui domine, c’est qu’en chauffant, on arrive à
exciter bien plus de porteurs au dessus de la barrière, donc à l’inverse du métal, la résistance
chute quand on chauffe (exponentiellement), et elle est toujours plusieurs ordres de grandeur
plus grande que l’isolant. Le semiconducteur, c’est juste un isolant dont la barrière est un peu
moins grande.
Qui a inventé la mécanique quantique ?
C’est une œuvre de plusieurs physiciens, pas un seul comme Einstein et la relativité. Au départ,
il y a trois fondateurs qui posent les bases : Max Planck à travers son étude du rayonnement des
corps, Albert Einstein à travers sa compréhension de la façon dont un photon peut arracher un
électron à la matière, et Niels Bohr pour son modèle de l’atome. Ensuite viennent un grand
nombre de jeunes physiciens remarquables qui, en une quinzaine d’années, posent les bases de
toute la mécanique quantique, parmi lesquels Fermi, Dirac, Pauli, Heisenberg, de Broglie,
Ehrensfest, etc.
Que faut-il retenir de la quantique ?
-
-
C'est elle qui permet de comprendre la nature aux petites échelles (le nanomètre) et
ainsi mieux comprendre les propriétés de la matière qui nous entoure, puisqu'elle est
formée d'objets petits justement (atomes).
Ces propriétés quantiques échappent à notre sens commun car celui-ci est habitué à ce
que nos 5 sens entrevoient de l'univers. Mais nos 5 sens sont très limités car nous
utilisons, pour appréhender l'univers, une perception où ce sont les objets à taille
humaine qui comptent. Nous ne sommes pas capables à l'oeil, de voir un photon ou un
électron. C'est donc bien normal que nous n'en ayons pas "l'habitude" et que ses
propriétés nous choquent. Mais c'est une théorie qui a été vérifiée expérimentalement et
jamais mise en défaut.
Ce n'est pas seulement une théorie qui permet de comprendre les objets petits avec des
équations savantes. Car une fois comprises les lois auxquelles obéissent ces objets, on
peut alors inventer avec la mécanique quantique, c'est à dire imaginer de nouveaux
assemblages de ces objets, de nouvelles façons de les manipuler, etc... Et on peut donc
grâce à cette physique quantique inventer de nouveaux matériaux, de nouveaux outils,
de nouvelles technologies : l'électronique, la chimie, les nanosciences...
64
FICHE
TECHNIQUE ET
BUDGET
Matériel – coût - lieu d’achat -
Ordinateur+ écran de projection
Films d’animation + droits
5187 euros (david Lourie, 13 rue Charles
Le Coq) 33320 Eysines
Bombonne d’azote
1000 euros le remplissage permettant de
tenir 2 à 3 mois selon les périodes
Vase de Dewar
200 euros
Supra conducteur monté sur un gobelet
Pastilles supraconductrices
1150 euros les 6
Aimants
450 euros
Faux pistolet en plastique
6 euros
Circuit ampoule-pile-résistance en cuivre
Rail d’aimants, (rail droit, rail circulaires,
maquette IRM Fentes en plexiglas)
règle + pile + lampe,
gants et lunettes de protection
DMT
Fournis par la sécurité
65
RESSOURCES
HUMAINES
Chef de projet, Médiateurs et concepteurs de l’animation
Nom
Fabrice Jouvenot
Géraldine Delaforge
Stéphanie Ploquin
Nicolas Alexandre
Julie Bataille
Jérome Combes
Brigitte David
Hélène Galiègue
Freddy Grimault
Olivier Hincelin
Xavier Horgues
Bastien Lebech
Stéphanie Rosalie
Alain Secret
poste
e-mail
8187
7898
8345
Validation scientifique :
[email protected]
Julien Bobroff
Cahier rédigé par :
Julien Bobroff
Géraldine Delaforge
7898
[email protected]
[email protected]
Coordination des cahiers de la médiation scientifique :
Rémi Mouillet
7887
[email protected]
66
BIBLIOGRAPHIE
SITES WEB
CONTACTS
Des livres
La guerre du froid, J. Matricon, G. Waysand, Ed. Seuil, 1999
Le meilleur livre sur le sujet pour grand public : très bon historique, très vivant, et aussi
quelques éléments simples de théorie pour ceux qui voudraient aller au-delà. A conseiller à tous,
et à lire pour avoir non seulement une bonne connaissance du sujet, mais aussi des tas
d’anecdotes rigolotes.
Histoires et Légendes de la supraconduction, S. Ortoli, J. Klein, Calmann Lévy
Là aussi, bon bouquin de vulgarisation sur le sujet et son histoire.
Le cours de physique de Feyman, Mécanique quantique, tome 3, Dunod
Un vrai cours de physique sur la quantique, mais de loin le plus clair pour les néophytes.
Le quantique des quantiques, S. Ortoli, J.P. Pharabod, Ed. La découverte
Assez clair.
Des sites web
www.vulgarisation.fr : mon site web avec les petits films sur la supraconductivité (également
dispos sur dailymotion ou youtube)
en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity et fr.wikipedia.org/wiki/Supraconductivité
www.superconductors.org/ : bonne introduction simple
www.ornl.gov/info/reports/m/ornlm3063r1/contents.html : un guide pour profs
www.howstuffworks.com
explique très clairement de nombreux phénomènes et surtout applications (taper « MRI » pour
l’imagerie médicale, ; « superconductivity », « maglev »). Excellent site en général dés qu’on a
un doute sur comment fonctionne un objet du quotidien ou un objet techno.
67
BILAN
DES
MEDIATEURS
Conception :
Exploitation :
Cette animation se déroule en 2 parties : une première partie théorique qui cerne le sujet et
présente de façon ludique la dualité onde corpuscule de la matière puis une deuxième partie
plus expérimentale et plus spectaculaire basée sur des expériences de lévitation avec des
supraconducteurs et de l'azote liquide.
L'objectif de l'animation est donc d'expliquer un des rares effets de la quantique à l'échelle
macroscopique à savoir la supraconduction.
L'animation, quand elle est suivie depuis le début est bien appréciée des spectateurs, qui sortent
avec une idée globale du sujet, par contre il est à noter qu'il est difficile de prendre l'animation
en cours sauf à la fin, au moment des expériences avec l'azote liquide.
C’est une animation tout public, qui plait aussi bien aux personnes qui connaissent le sujet et
qui prennent plaisir à voir comment nous avons pu vulgariser la physique quantique mais elle
plait également aux novices, en particulier les plus jeunes, qui ressortent avec des idées
marquantes.
68
BILAN DE
% remplissage anim planifiées
87%
319
77%
39
75%
4
86%
362
cap offerte Fréquentation
9570
8295
1124
863
95
71
10789
9229
Moyenne de
Fréquentation
26
23
18
26
Mois/an
% remplissage anim planifiées
février 2008
88%
58
mars 2008
92%
38
avril 2008
135%
68
mai 2008
65%
40
juin 2008
57%
27
octobre 2008
57%
31
novembre 2008
88%
28
décembre 2008
63%
57
janvier 2009
82%
15
cap offerte Fréquentation
1740
1534
1140
1051
2020
2726
1190
776
810
464
923
525
819
721
1697
1062
450
370
Moyenne de
Fréquentation
26
28
40
19
17
18
26
19
25
Catalogue
PI
PG
HP
Total
Total
86%
Période2
Type jour
362
10789
9229
FREQUENTATION
26
Moyenne de
Fréquentation
24
21
% rempl.
anim planif.
cap offerte
Fréquentation
78%
85%
71%
49
25
24
1436
716
720
1117
608
509
23
51
1530
1530
1036
1036
20
20
68%
68%
51
87%
84
84
2520
2520
2202
2202
26
26
87%
2
16
520
40
480
595
40
555
33
20
35
114%
100%
116%
18
Vac Pâques
Total Vac Pâques
Vacances
131%
131%
71
71
2130
2130
2784
2784
39
39
Mai Juin
Nuit Musées
167%
2
60
100
50
6
50
1730
180
1490
970
60
810
17
10
16
56%
33%
54%
58
15
16
923
443
480
525
251
274
18
18
17
57%
57%
57%
31
86%
362
10789
9229
26
Automne
Semaine
WE
Total Automne
Vac Noël
Total Vac Noël
Vacances
Vac Hiver
Total Vac Hiver
Vacances
Printemps
Semaine
WE
Total Printemps
Semaine
WE
Total Mai Juin
Rentrée
Total Rentrée
Total
Période2
Toussaint
Total
Semaine
WE
SsSpectacle grande capacité à la toussaint 2008
% remplissage
anim planifiées
cap offerte
90%
30
5400
90%
30
5400
Fréquentation
4835
4835
Moyenne de Fréquentation
161
161
69