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Université de tous les savoirs - La physique en champs magnétique intense :: champs magnetique
Apercu : Le champ magnétique semble toujours un peu mystérieux, pourtant les phénomènes magnétiques sont connus depuis presque trois mille ans et ont trouvé des applications partout dans notre vie quotidienne. Le but de cet exposé est à la fois d’expliquer la physique du champ magnétique et de démontrer l’importance des champs magnétiques intenses dans la recherche. La conférence débutera par un bref résumé de la physique des champs magnétiques, à la fois de façon historique et fondamentale. La manipulation magnétique concerne tous les phénomènes qui génèrent des forces mécaniques sur des objets. Ces phénomènes ont trouvés beaucoup d’applications, mais sont aussi utilisés comme outils dans la recherche. Le champ magnétique est une perturbation universelle et précise qui permet de sonder la matière et de déterminer beaucoup de paramètres physiques et chimiques. Les champs magnétiques intenses peuvent induire des nouveaux états de la matière, en particulier en combinaison avec des basses températures. Einstein dans des cristaux et la supraconductivité induite par le champ magnétique. Dans cette conférence je vais vous parlez des champs magnétique intenses comme outil de recherche en physique. Vous pourrez voir que dautres domaines sen servent également. Je vais commencer avec par une petite introduction historique qui tracera un bref aperçu des lois fondamentales et des techniques pour générer les champs magnétiques intenses. Puis je présenterai trois grandes catégories dans lesquelles on peut classer lutilisation des champs magnétiques intenses. Dabord il y a la manipulation magnétique ou des forces mécaniques font bouger et sorienter des objets. Dans la deuxième catégorie on utilise un champ magnétique pour sonder létat de la matière, cest-à-dire létat où elle serait en labsence du champ magnétique. Puis, dans la troisième catégorie, le champ magnétique crée un nouvel état de la matière qui nexiste pas sans champ magnétique. Dans la dernière catégorie, il ny a pas trop dapplications quotidiennes quand on parle des champs très intenses. Pour la manipulation magnétique, il y a beaucoup plus dapplication que vous connaissez sans doute, parce que la plupart se rencontrent dans la vie quotidienne. De lautre coté, en termes dintensité, cest la dernière catégorie qui demande les champs les plus élevés et cest là dessus que les laboratoires de recherche des champs intenses travaillent le plus. Le champ magnétique a fasciné les gens depuis prés de 3000 ans. Romains discutaient déjà lorigine du mot. Grèce, et où lon trouve des aimants permanents constitués essentiellement doxyde de fer aimanté. Magnès, qui aurait découvert le phénomène parce que les clous dans ses bottes étaient attirés par certaines pierres. Cest ainsi que lon aurait donné son nom au phénomène. Age il y a eu beaucoup dhistoires autour du magnétisme, et les gens ont cru quil était médicinal, ou même diabolique. Il faut attendre 1600 pour voir le premier traité scientifique sur le magnétisme. Cest à cette période que lélectricité a commencé à faire son apparition. Jusquen 1820 on considérait que les deux étaient complètement différents, lun nayant rien à faire avec lautre. Oersted qui a démontré expérimentalement, et par pur hasard, que les deux sont intimement liés. Alors quil effectuait une expérience en électricité sur une table se trouvait à proximité sur une autre table une boussole pour une expérience de magnétisme. Il constata que la boussole bougeait quand il faisait passer un courant électrique sur la première table. Faraday démontra à linverse quun champ magnétique variable pouvait créer un champ électrique. Maxwell dans une forme mathématique qui lie le champ magnétique, le champ électrique, le courant et les charges. Il en donna ainsi une description homogène et cohérente qui sest avéré correcte jusquaujourdhui. Parmi ces prix certains ont été décernés en physique, dautres en chimie et en médecine, certains pour des découvertes de phénomènes fondamentaux et dautres également pour de linstrumentation développé autour des champs magnétiques, comme par exemple le cyclotron ou le spectromètre de masse qui sont tous les deux basés sur le champs magnétique. Souvent des gens me demandent « quest-ce quun champ magnétique ? Une réponse brève et simple est que cest une manifestation du champ électromagnétique. Il faut simplement accepter de considérer que lélectromagnétisme est une des quatre interactions fondamentales de lunivers et quil nest pas possible de le réduire à des choses encore plus élémentaires. Une autre définition assez utile du champ magnétique est que cest une influence qui entoure une charge électrique qui bouge. En électricité, lobjet élémentaire est la charge électrique, en magnétisme les choses ne sont pas si simples. Il nexiste pas une charge magnétique, lobjet élémentaire est le dipôle magnétique quon peut simaginer comme un courant circulaire. Le moment magnétique correspondant est le rayon fois la vitesse fois la charge et ce moment crée un champ magnétique autour de lui. Les lois fondamentales classiques du champ magnétique sont assez simples. Lorentz qui dit quune charge qui bouge dans un champ subit une force perpendiculaire à la vitesse et au champ. Dans un champ magnétique homogène, un électron fait donc un mouvement circulaire, qui sappelle le mouvement cyclotron, caractérisé par le rayon cyclotron et la fréquence cyclotron. Deuxièmement, un champ magnétique induit un moment magnétique dans nimporte quelle matière, cest-à-dire également dans celle quon appelle non-magnétique. Si le moment induit soppose au champ, on parle de diamagnétisme, si cest lopposé, on parle de paramagnétisme. Finalement, lénergie dun dipôle dans un champ est le produit scalaire du moment et du champ, qui fait quun dipôle préfère être parallèle au champ. Dans la recherche moderne, les champs magnétiques sont souvent appliqués à des systèmes quantiques, dans la physique des solides ou la physique atomique. Dans ces systèmes, les lois quantiques sont dominantes. Le premier phénomène quantique surprenant, lié au champ magnétique est que les particules comme les électrons ou les protons ont un moment magnétique intrinsèque, quon appelle le spin. Pour employer une image simple, il faut imaginer que ces particules chargées tournent autour dun axe. La mécanique quantique dit que le spin des électrons ne peut avoir que deux valeurs, up et down. Il nexiste aucune explication classique pour ce phénomène qui a été découvert expérimentalement sans aucune prévision théorique. Dans la mécanique quantique, il existe aussi un mouvement cyclotron, mais plus compliqué et bien sur quantifié. Tesla à 25 nanomètres, ce qui fait que les champs magnétiques trouvent aujourdhui beaucoup demploi dans les nanosciences. Le dernier aspect quantique un peu bizarre du champ magnétique est que le champ lui-même devient quantifié, et nest plus un paramètre continu. Le quanta de flux magnétique est donné par des constantes fondamentales et correspond au champ magnétique qui traverse la surface dune orbite cyclotron fondamentale dun électron. Lintensité du champ correspond maintenant à la concentration des quantum de flux. Cela nous amène au dernier aspect quantique de la physique en champ magnétique. La mécanique quantique connaît deux grandes familles de particules. Dun coté, il y a la famille des fermions, qui consiste en particules qui ont un spin non entier, très souvent ½, et qui ont comme particularité de ne pas pouvoir se partager un état à une énergie donné. Les électrons et les protons en sont des exemples. Dun autre coté, il y a la famille des bosons, qui consiste en particules qui ont un spin entier, et qui ont comme particularité quil peuvent se partager un état à un énergie donné. Les photons et certains atomes sont des exemples de bosons. La différence entre bosons et fermions devient importante quand on met beaucoup de particules ensembles. Les fermions ne veulent pas être tous à la même énergie et beaucoup dentre eux sont donc forcés doccuper des états à plus hautes énergies. Fermi sépare les états vides des états remplis. Pour les bosons, les choses sont complètement différentes. A une température inégale à zéro, les bosons occupent une gamme dénergie à cause des excitations thermiques. Mais si on baisse suffisamment la température, il peuvent tous se partager létat de la plus basse énergie et ainsi créer un état cohérent. La supraconductivité est un phénomène qui a une relation à la fois difficile et fructueuse avec le champ magnétique, comme on le verra après. Coulombienne, qui est le résultat de la déformation du cristal par les électrons. Cooper, dans laquelle ils ont leurs moments cinétiques et leurs spins opposés. Cooper, a donc un spin totale égal à zéro et est un boson. A une température suffisamment basse, toutes les paires peuvent condenser dans un état quantique cohérent. Cet effet existe jusquà une valeur critique du champ. Les ordres de grandeur des champs magnétiques quon rencontre sont très divers. Autour de nos cerveaux on trouve des champs extrêmement faibles, liés aux activités cérébrales, et utilisés pour étudier ces dernières. Dans lespace intra stellaire on trouve des champs faibles dont personne ne connaît lorigine. Terre qui fait aligner nos boussoles. La seule méthode de créer un champ magnétique intense est de faire circuler un courant électrique très fort dans un solénoïde. Il y a deux problèmes à résoudre. Dabord il y a le réchauffement du conducteur à cause du courant électrique. Pour éviter ce réchauffement, on peut utiliser un fil supraconducteur à basse température, qui na aucune résistivité électrique. Cette approche est limitée par les champs magnétiques critiques qui détruisent la supraconductivité. Lalternative consiste à refroidir le conducteur pour enlever la chaleur générée par la dissipation électrique. Pour remédier à ce problème, les électro-aimants sont construits avec des conducteurs ultra forts, ou avec un renfort externe. Tesla peuvent être générés avec des fils supraconducteurs refroidis avec de lhélium liquide. Pour aller encore plus haut, la seule méthode consiste à utiliser du cuivre comme conducteur, en prenant soin de baisser la température par refroidissement à leau. Pour aller plus haut en champ, on doit se contenter des champs transitoires, avec des durées en dessous dune seconde. Tesla avec des bobines monolithiques, faites dun fil ultra fort et dun renfort externe. Si on veut aller encore plus haut il faut accepter que la bobine soit détruite pendant le tir. Les bobines « monospire » sont constituées dune seule spire en cuivre, qui explose radialement vers lextérieur pendant un tir, laissant lexpérience au centre de la bobine intact. Les champs les plus intenses sont générés par la compression de flux ; le champ créé par une petite bobine est compressé par un cylindre en cuivre qui à son tour est comprimé par une explosion. Après cette partie technique, passons maintenant aux applications des champs. La première catégorie dapplication est la manipulation magnétique. Ce qui est très connue cest bien sur lorientation magnétique, comme, par exemple, dans le cas dune boussole. On connaît un peu moins la séparation magnétique qui permet denlever des composant magnétique dun mélange, par exemple les ordures ménagères. France, est le confinement magnétique ou lon peut confiner des particules chargés dans une volume sans quils touchent le parois. Ce qui est plus intéressant en termes de champs intenses est la lévitation magnétique. Non seulement cela demande des champs plus forts mais en outre il semble exister un problème fondamental pour ce phénomène. Earnshaw, qui dit quil nest pas possible datteindre une lévitation stable de charges ou daimants dans un champ magnétique statique. Si vous avez jamais essayé de prendre deux aimants permanents et den faire léviter un au dessus de lautre, vous savez que cest effectivement impossible. La première est la lévitation dynamique, la deuxième la lévitation diamagnétique. Commençons avec la lévitation dynamique. Earnshaw interdit la lévitation stable, la stabilité nécessaire à conditions que lon puisse activement réguler la lévitation. Par exemple on peut avoir une attraction entre un aimant permanent et un électro-aimant. Il faut donc un système électronique de rétroaction pour arriver à une lévitation quasi stable. Rapid, ce qui lui permet davancer, sans friction avec les rails, à des vitesses allant jusquà 500 km/h. Dans un champ magnétique inhomogène, le champ exerce une force sur le matériau diamagnétique qui peut compenser la force gravitationnelle, permettant ainsi de faire léviter lobjet. Par exemple, des êtres vivants, qui sont constitués principalement deau, peuvent être lévités ainsi en simulant lapesanteur, une méthode bien sur moins chers que celle qui consiste à les envoyer dans une station spatiale. On peut aussi utiliser la lévitation diamagnétique comme outil de recherche pour étudier par exemple les interactions entre des gouttes deau, qui montrent des collisions élastiques sans fusion. La deuxième catégorie des applications des champs intenses concerne le champ magnétique utilisé comme outil pour sonder la matière et déterminer ses propriétés, y compris des propriétés non-magnétiques. Lorentz et qui fait quun courant qui passe perpendiculairement à un champ, crée un champ électrique perpendiculaire à ce courant et à ce champ. La deuxième application dans cette catégorie est la résonance magnétique. Si on irradie ce moment avec de la radiation électromagnétique, dont la fréquence correspond exactement à cette énergie, cette radiation peut être absorbé, le spin sera tourné du down vers le up et on parle alors de résonance. Ce principe peut être appliqué à plusieurs types de moments magnétiques. On peut aussi lappliquer aux moments magnétiques orbitaux, comme le mouvement cyclotron des électrons (on parle de résonance cyclotron, dans le domaine de fréquences terahertz) ou des ions. Ces ions on peut les créer en ionisant des molécules et ainsi on peut déterminer la masse des molécules avec une très haute précision en mesurant la fréquence de résonance avec une haute précision. Leur fréquence de résonance sera donc un peu différente que la valeur pour un proton libre et cette différence est une empreinte pour lenvironnement chimique de ces protons. En mesurant les différentes fréquences de résonances des protons dans une molécule organique, on peut déduire lenvironnement chimique de chaque type de proton et ainsi reconstruire la structure de la molécule. La position le long du gradient se traduit dans une fréquence de résonance, et lintensité de labsorption à cette fréquence se traduit dans la concentration des noyaux à cette position dans le gradient. En faisant ces mesures avec des gradients en trois directions, un ordinateur peut reconstruire un plan tri-dimensionnel de la concentration de ces noyaux, qui peut alors être interprété par un médecin. La troisième catégorie des sondes magnétiques de la matière est constituée des oscillations quantiques. Il y a plusieurs manifestations de ces variations, appelés oscillations quantiques. Fermi, la surface séparant les états vides des états remplis, en mesurant les oscillations en fonction de langle entre le champ et les axes du cristal. Le troisième grand groupe dapplication des champs magnétiques intenses est la création des nouveaux états de la matière condensée et je voudrais vous présenter trois catégories. Hall que jai décrit avant. Hall, et des zéros dans la résistance longitudinale. Hall quantique intégrale vient des impuretés dans le système. Landau sont élargis et que les états loin du centre du niveau sont localisés. Fermi (et donc constant), et la résistance longitudinale est zéro parce que les porteurs mobiles nont pas détats vides proches disponibles. Hall quantique dépend des impuretés, il doit disparaître si on réussit à fabriquer des systèmes plus propres, ce qui a été observé. Hall quantique inattendu se manifestait. Hall quantique intégrale, mais cette fois ci, les plateaux et les zéros se trouvent à des facteurs de remplissage donnés par des fractions. Nobel en 1998, est que les interactions entre les électrons deviennent dominantes et quune nouvelle entité se forme, constitué dun électron avec deux quantum de flux magnétique et quon appelle un fermion composite. Hall quantique intégrale des fermions composites. La deuxième catégorie concerne la supraconductivité exotique. Depuis la découverte de la supraconductivité en 1911, la température critique (la température en dessous laquelle la supraconductivité existe) a monté doucement avec les découvertes de nouveaux matériaux. Un grand saut fut fait en 1986 avec la découverte dune nouvelle famille de supraconducteurs ; les cuprates. Ils sont composés de couches doxyde de cuivre ou la conduction électrique a lieu, séparés par des couches dautres atomes, qui servent aussi pour injecter de la charge dans les couches doxydes de cuivre. Les structures cristallines sont assez compliquées et les diagrammes de phase de ces composés sont très riches, en particulier en fonction du dopage, cest-à-dire du nombre délectrons ou de trous par atome de cuivre, introduit par les autres atomes. On y trouve des phases isolantes, supraconductrices, anti-ferromagnétiques et métalliques. Le mécanisme de la supraconductivité dans les cuprates nest pas bien connu, et aussi létat normal des cuprates au dessus de la température critique est mal compris et on ne sait par exemple pas sil est isolant ou métallique. Lapproche normale pour discriminer entre un isolant et un métal est de refroidir le système, et de mesurer sa résistivité électrique. Pour un isolant, cette résistivité doit diverger tandis que pour un métal il devient constant. Pour les cuprates, cette approche nest pas possible parce que la supraconductivité intervient. La solution est dappliquer un champ magnétique intense pour supprimer la supraconductivité. Sous ces conditions, on peut mesurer la résistivité de létat normal jusquà de basses températures. Je vous ai expliqué quun champ intense tue la supraconductivité. Paradoxalement, le contraire existe aussi, de la supraconductivité induit par le champ magnétique ! Cest le cas dans certains conducteurs organiques qui contiennent des anions paramagnétiques. Les électrons de conduction sentent le champ externe et le champ déchange des ions et les deux sont opposés. Pour une certaine gamme de champs externes, les deux champs se compensent à peu près, les électrons sentent donc très peu de champ total et la supraconductivité peut exister. La dernière catégorie où le champ magnétique crée des nouveaux états, fait partie du magnétisme quantique. Aujourdhui, les chimistes savent synthétiser des nouveaux cristaux très purs des oxydes des métaux de transition. Les interactions entre les charges, les moments magnétiques orbitaux, les spins et les phonons donnent une grande richesse à ces systèmes, avec beaucoup de phases différentes en fonction de la température et du dopage. Que se passe-t-il si on ajoute encore une composante, le champ magnétique ? Un champ magnétique lui aussi peut induire une transition de phase, comme la température ou la pression. Cela devient clair si on regarde un système de deux électrons avec spin ½. En général ils saccouplent anti-parallèlement pour donner une paire avec spin zéro, létat singlet. Zeeman, létat avec spin -1 a une énergie plus basse que létat avec spin égal à zéro et le système change détat. La combinaison des oxydes de métaux de transition avec la transition de phase magnétique a récemment donnée quelques résultats remarquables. Cest un système des couches anisotropes de dimères des ions paramagnétiques de cuivre. Le résultat des interactions entre tous les ions est que létat fondamental à champ zéro est non magnétique. Lapplication dun champ magnétique intense fait croiser létat triplet à létat singlet. De leur mélange, une nouvelle entité sort : le triplon. Cette transition de phase magnétique est visible dans la chaleur spécifique. Avec des mesures de la chaleur spécifique en fonction de la température et du champ, on peut trouver le diagramme de phase et identifier le domaine du condensât des triplons. Dans ce système, des plateaux daimantation ont été observés. Cest avec ce dernier exemple que je termine mon exposé. Jespère avoir pu vous montrer que la physique en champ magnétique intense est à la fois utile, puissante et fascinante. Je tiens à remercier tous mes collègues pour les discussions et pour mavoir fourni des images. Le champ magnétique semble toujours un peu mystérieux, pourtant les phénomènes magnétiques sont connus depuis presque trois mille ans et ont trouvé des applications partout dans notre vie quotidienne. Le but de cet exposé est à la fois d’expliquer la physique du champ magnétique et de démontrer l’importance des champs magnétiques intenses dans la recherche. La conférence débutera par un bref résumé de la physique des champs magnétiques, à la fois de façon historique et fondamentale. La manipulation magnétique concerne tous les phénomènes qui génèrent des forces mécaniques sur des objets. Ces phénomènes ont trouvés beaucoup d’applications, mais sont aussi utilisés comme outils dans la recherche. Le champ magnétique est une perturbation universelle et précise qui permet de sonder la matière et de déterminer beaucoup de paramètres physiques et chimiques. Les champs magnétiques intenses peuvent induire des nouveaux états de la matière, en particulier en combinaison avec des basses températures. Einstein dans des cristaux et la supraconductivité induite par le champ magnétique.
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La conférence débutera par un bref résumé de la physique des champs magnétiques, à la fois de façon historique et fondamentale. La manipulation magnétique concerne tous les phénomènes qui génèrent des forces mécaniques sur des objets. Ces phénomènes ont trouvés beaucoup d’applications, mais sont aussi utilisés comme outils dans la recherche. Le champ magnétique est une perturbation universelle et précise qui permet de sonder la matière et de déterminer beaucoup de paramètres physiques et chimiques. Les champs magnétiques intenses peuvent induire des nouveaux états de la matière, en particulier en combinaison avec des basses températures. Einstein dans des cristaux et la supraconductivité induite par le champ magnétique. Dans cette conférence je vais vous parlez des champs magnétique intenses comme outil de recherche en physique. Vous pourrez voir que dautres domaines sen servent également. Je vais commencer avec par une petite introduction historique qui tracera un bref aperçu des lois fondamentales et des techniques pour générer les champs magnétiques intenses. Puis je présenterai trois grandes catégories dans lesquelles on peut classer lutilisation des champs magnétiques intenses. Dabord il y a la manipulation magnétique ou des forces mécaniques font bouger et sorienter des objets. Dans la deuxième catégorie on utilise un champ magnétique pour sonder létat de la matière, cest-à-dire létat où elle serait en labsence du champ magnétique. Puis, dans la troisième catégorie, le champ magnétique crée un nouvel état de la matière qui nexiste pas sans champ magnétique. Dans la dernière catégorie, il ny a pas trop dapplications quotidiennes quand on parle des champs très intenses. Pour la manipulation magnétique, il y a beaucoup plus dapplication que vous connaissez sans doute, parce que la plupart se rencontrent dans la vie quotidienne. De lautre coté, en termes dintensité, cest la dernière catégorie qui demande les champs les plus élevés et cest là dessus que les laboratoires de recherche des champs intenses travaillent le plus. Le champ magnétique a fasciné les gens depuis prés de 3000 ans. Romains discutaient déjà lorigine du mot. Grèce, et où lon trouve des aimants permanents constitués essentiellement doxyde de fer aimanté. Magnès, qui aurait découvert le phénomène parce que les clous dans ses bottes étaient attirés par certaines pierres. Cest ainsi que lon aurait donné son nom au phénomène. Age il y a eu beaucoup dhistoires autour du magnétisme, et les gens ont cru quil était médicinal, ou même diabolique. Il faut attendre 1600 pour voir le premier traité scientifique sur le magnétisme. Cest à cette période que lélectricité a commencé à faire son apparition. Jusquen 1820 on considérait que les deux étaient complètement différents, lun nayant rien à faire avec lautre. Oersted qui a démontré expérimentalement, et par pur hasard, que les deux sont intimement liés. Alors quil effectuait une expérience en électricité sur une table se trouvait à proximité sur une autre table une boussole pour une expérience de magnétisme. Il constata que la boussole bougeait quand il faisait passer un courant électrique sur la première table. Faraday démontra à linverse quun champ magnétique variable pouvait créer un champ électrique. Maxwell dans une forme mathématique qui lie le champ magnétique, le champ électrique, le courant et les charges. Il en donna ainsi une description homogène et cohérente qui sest avéré correcte jusquaujourdhui. Parmi ces prix certains ont été décernés en physique, dautres en chimie et en médecine, certains pour des découvertes de phénomènes fondamentaux et dautres également pour de linstrumentation développé autour des champs magnétiques, comme par exemple le cyclotron ou le spectromètre de masse qui sont tous les deux basés sur le champs magnétique. Souvent des gens me demandent « quest-ce quun champ magnétique ? Une réponse brève et simple est que cest une manifestation du champ électromagnétique. Il faut simplement accepter de considérer que lélectromagnétisme est une des quatre interactions fondamentales de lunivers et quil nest pas possible de le réduire à des choses encore plus élémentaires. Une autre définition assez utile du champ magnétique est que cest une influence qui entoure une charge électrique qui bouge. En électricité, lobjet élémentaire est la charge électrique, en magnétisme les choses ne sont pas si simples. Il nexiste pas une charge magnétique, lobjet élémentaire est le dipôle magnétique quon peut simaginer comme un courant circulaire. Le moment magnétique correspondant est le rayon fois la vitesse fois la charge et ce moment crée un champ magnétique autour de lui. Les lois fondamentales classiques du champ magnétique sont assez simples. Lorentz qui dit quune charge qui bouge dans un champ subit une force perpendiculaire à la vitesse et au champ. Dans un champ magnétique homogène, un électron fait donc un mouvement circulaire, qui sappelle le mouvement cyclotron, caractérisé par le rayon cyclotron et la fréquence cyclotron. Deuxièmement, un champ magnétique induit un moment magnétique dans nimporte quelle matière, cest-à-dire également dans celle quon appelle non-magnétique. Si le moment induit soppose au champ, on parle de diamagnétisme, si cest lopposé, on parle de paramagnétisme. Finalement, lénergie dun dipôle dans un champ est le produit scalaire du moment et du champ, qui fait quun dipôle préfère être parallèle au champ. Dans la recherche moderne, les champs magnétiques sont souvent appliqués à des systèmes quantiques, dans la physique des solides ou la physique atomique. Dans ces systèmes, les lois quantiques sont dominantes. Le premier phénomène quantique surprenant, lié au champ magnétique est que les particules comme les électrons ou les protons ont un moment magnétique intrinsèque, quon appelle le spin. Pour employer une image simple, il faut imaginer que ces particules chargées tournent autour dun axe. La mécanique quantique dit que le spin des électrons ne peut avoir que deux valeurs, up et down. Il nexiste aucune explication classique pour ce phénomène qui a été découvert expérimentalement sans aucune prévision théorique. Dans la mécanique quantique, il existe aussi un mouvement cyclotron, mais plus compliqué et bien sur quantifié. Tesla à 25 nanomètres, ce qui fait que les champs magnétiques trouvent aujourdhui beaucoup demploi dans les nanosciences. Le dernier aspect quantique un peu bizarre du champ magnétique est que le champ lui-même devient quantifié, et nest plus un paramètre continu. Le quanta de flux magnétique est donné par des constantes fondamentales et correspond au champ magnétique qui traverse la surface dune orbite cyclotron fondamentale dun électron. Lintensité du champ correspond maintenant à la concentration des quantum de flux. Cela nous amène au dernier aspect quantique de la physique en champ magnétique. La mécanique quantique connaît deux grandes familles de particules. Dun coté, il y a la famille des fermions, qui consiste en particules qui ont un spin non entier, très souvent ½, et qui ont comme particularité de ne pas pouvoir se partager un état à une énergie donné. Les électrons et les protons en sont des exemples. Dun autre coté, il y a la famille des bosons, qui consiste en particules qui ont un spin entier, et qui ont comme particularité quil peuvent se partager un état à un énergie donné. Les photons et certains atomes sont des exemples de bosons. La différence entre bosons et fermions devient importante quand on met beaucoup de particules ensembles. Les fermions ne veulent pas être tous à la même énergie et beaucoup dentre eux sont donc forcés doccuper des états à plus hautes énergies. Fermi sépare les états vides des états remplis. Pour les bosons, les choses sont complètement différentes. A une température inégale à zéro, les bosons occupent une gamme dénergie à cause des excitations thermiques. Mais si on baisse suffisamment la température, il peuvent tous se partager létat de la plus basse énergie et ainsi créer un état cohérent. La supraconductivité est un phénomène qui a une relation à la fois difficile et fructueuse avec le champ magnétique, comme on le verra après. Coulombienne, qui est le résultat de la déformation du cristal par les électrons. Cooper, dans laquelle ils ont leurs moments cinétiques et leurs spins opposés. Cooper, a donc un spin totale égal à zéro et est un boson. A une température suffisamment basse, toutes les paires peuvent condenser dans un état quantique cohérent. Cet effet existe jusquà une valeur critique du champ. Les ordres de grandeur des champs magnétiques quon rencontre sont très divers. Autour de nos cerveaux on trouve des champs extrêmement faibles, liés aux activités cérébrales, et utilisés pour étudier ces dernières. Dans lespace intra stellaire on trouve des champs faibles dont personne ne connaît lorigine. Terre qui fait aligner nos boussoles. La seule méthode de créer un champ magnétique intense est de faire circuler un courant électrique très fort dans un solénoïde. Il y a deux problèmes à résoudre. Dabord il y a le réchauffement du conducteur à cause du courant électrique. Pour éviter ce réchauffement, on peut utiliser un fil supraconducteur à basse température, qui na aucune résistivité électrique. Cette approche est limitée par les champs magnétiques critiques qui détruisent la supraconductivité. Lalternative consiste à refroidir le conducteur pour enlever la chaleur générée par la dissipation électrique. Pour remédier à ce problème, les électro-aimants sont construits avec des conducteurs ultra forts, ou avec un renfort externe. Tesla peuvent être générés avec des fils supraconducteurs refroidis avec de lhélium liquide. Pour aller encore plus haut, la seule méthode consiste à utiliser du cuivre comme conducteur, en prenant soin de baisser la température par refroidissement à leau. Pour aller plus haut en champ, on doit se contenter des champs transitoires, avec des durées en dessous dune seconde. Tesla avec des bobines monolithiques, faites dun fil ultra fort et dun renfort externe. Si on veut aller encore plus haut il faut accepter que la bobine soit détruite pendant le tir. Les bobines « monospire » sont constituées dune seule spire en cuivre, qui explose radialement vers lextérieur pendant un tir, laissant lexpérience au centre de la bobine intact. Les champs les plus intenses sont générés par la compression de flux ; le champ créé par une petite bobine est compressé par un cylindre en cuivre qui à son tour est comprimé par une explosion. Après cette partie technique, passons maintenant aux applications des champs. La première catégorie dapplication est la manipulation magnétique. Ce qui est très connue cest bien sur lorientation magnétique, comme, par exemple, dans le cas dune boussole. On connaît un peu moins la séparation magnétique qui permet denlever des composant magnétique dun mélange, par exemple les ordures ménagères. France, est le confinement magnétique ou lon peut confiner des particules chargés dans une volume sans quils touchent le parois. Ce qui est plus intéressant en termes de champs intenses est la lévitation magnétique. Non seulement cela demande des champs plus forts mais en outre il semble exister un problème fondamental pour ce phénomène. Earnshaw, qui dit quil nest pas possible datteindre une lévitation stable de charges ou daimants dans un champ magnétique statique. Si vous avez jamais essayé de prendre deux aimants permanents et den faire léviter un au dessus de lautre, vous savez que cest effectivement impossible. La première est la lévitation dynamique, la deuxième la lévitation diamagnétique. Commençons avec la lévitation dynamique. Earnshaw interdit la lévitation stable, la stabilité nécessaire à conditions que lon puisse activement réguler la lévitation. Par exemple on peut avoir une attraction entre un aimant permanent et un électro-aimant. Il faut donc un système électronique de rétroaction pour arriver à une lévitation quasi stable. Rapid, ce qui lui permet davancer, sans friction avec les rails, à des vitesses allant jusquà 500 km/h. Dans un champ magnétique inhomogène, le champ exerce une force sur le matériau diamagnétique qui peut compenser la force gravitationnelle, permettant ainsi de faire léviter lobjet. Par exemple, des êtres vivants, qui sont constitués principalement deau, peuvent être lévités ainsi en simulant lapesanteur, une méthode bien sur moins chers que celle qui consiste à les envoyer dans une station spatiale. On peut aussi utiliser la lévitation diamagnétique comme outil de recherche pour étudier par exemple les interactions entre des gouttes deau, qui montrent des collisions élastiques sans fusion. La deuxième catégorie des applications des champs intenses concerne le champ magnétique utilisé comme outil pour sonder la matière et déterminer ses propriétés, y compris des propriétés non-magnétiques. Lorentz et qui fait quun courant qui passe perpendiculairement à un champ, crée un champ électrique perpendiculaire à ce courant et à ce champ. La deuxième application dans cette catégorie est la résonance magnétique. Si on irradie ce moment avec de la radiation électromagnétique, dont la fréquence correspond exactement à cette énergie, cette radiation peut être absorbé, le spin sera tourné du down vers le up et on parle alors de résonance. Ce principe peut être appliqué à plusieurs types de moments magnétiques. On peut aussi lappliquer aux moments magnétiques orbitaux, comme le mouvement cyclotron des électrons (on parle de résonance cyclotron, dans le domaine de fréquences terahertz) ou des ions. Ces ions on peut les créer en ionisant des molécules et ainsi on peut déterminer la masse des molécules avec une très haute précision en mesurant la fréquence de résonance avec une haute précision. Leur fréquence de résonance sera donc un peu différente que la valeur pour un proton libre et cette différence est une empreinte pour lenvironnement chimique de ces protons. En mesurant les différentes fréquences de résonances des protons dans une molécule organique, on peut déduire lenvironnement chimique de chaque type de proton et ainsi reconstruire la structure de la molécule. La position le long du gradient se traduit dans une fréquence de résonance, et lintensité de labsorption à cette fréquence se traduit dans la concentration des noyaux à cette position dans le gradient. En faisant ces mesures avec des gradients en trois directions, un ordinateur peut reconstruire un plan tri-dimensionnel de la concentration de ces noyaux, qui peut alors être interprété par un médecin. La troisième catégorie des sondes magnétiques de la matière est constituée des oscillations quantiques. Il y a plusieurs manifestations de ces variations, appelés oscillations quantiques. Fermi, la surface séparant les états vides des états remplis, en mesurant les oscillations en fonction de langle entre le champ et les axes du cristal. Le troisième grand groupe dapplication des champs magnétiques intenses est la création des nouveaux états de la matière condensée et je voudrais vous présenter trois catégories. Hall que jai décrit avant. Hall, et des zéros dans la résistance longitudinale. Hall quantique intégrale vient des impuretés dans le système. Landau sont élargis et que les états loin du centre du niveau sont localisés. Fermi (et donc constant), et la résistance longitudinale est zéro parce que les porteurs mobiles nont pas détats vides proches disponibles. Hall quantique dépend des impuretés, il doit disparaître si on réussit à fabriquer des systèmes plus propres, ce qui a été observé. Hall quantique inattendu se manifestait. Hall quantique intégrale, mais cette fois ci, les plateaux et les zéros se trouvent à des facteurs de remplissage donnés par des fractions. Nobel en 1998, est que les interactions entre les électrons deviennent dominantes et quune nouvelle entité se forme, constitué dun électron avec deux quantum de flux magnétique et quon appelle un fermion composite. Hall quantique intégrale des fermions composites. La deuxième catégorie concerne la supraconductivité exotique. Depuis la découverte de la supraconductivité en 1911, la température critique (la température en dessous laquelle la supraconductivité existe) a monté doucement avec les découvertes de nouveaux matériaux. Un grand saut fut fait en 1986 avec la découverte dune nouvelle famille de supraconducteurs ; les cuprates. Ils sont composés de couches doxyde de cuivre ou la conduction électrique a lieu, séparés par des couches dautres atomes, qui servent aussi pour injecter de la charge dans les couches doxydes de cuivre. Les structures cristallines sont assez compliquées et les diagrammes de phase de ces composés sont très riches, en particulier en fonction du dopage, cest-à-dire du nombre délectrons ou de trous par atome de cuivre, introduit par les autres atomes. On y trouve des phases isolantes, supraconductrices, anti-ferromagnétiques et métalliques. Le mécanisme de la supraconductivité dans les cuprates nest pas bien connu, et aussi létat normal des cuprates au dessus de la température critique est mal compris et on ne sait par exemple pas sil est isolant ou métallique. Lapproche normale pour discriminer entre un isolant et un métal est de refroidir le système, et de mesurer sa résistivité électrique. Pour un isolant, cette résistivité doit diverger tandis que pour un métal il devient constant. Pour les cuprates, cette approche nest pas possible parce que la supraconductivité intervient. La solution est dappliquer un champ magnétique intense pour supprimer la supraconductivité. Sous ces conditions, on peut mesurer la résistivité de létat normal jusquà de basses températures. Je vous ai expliqué quun champ intense tue la supraconductivité. Paradoxalement, le contraire existe aussi, de la supraconductivité induit par le champ magnétique ! Cest le cas dans certains conducteurs organiques qui contiennent des anions paramagnétiques. Les électrons de conduction sentent le champ externe et le champ déchange des ions et les deux sont opposés. Pour une certaine gamme de champs externes, les deux champs se compensent à peu près, les électrons sentent donc très peu de champ total et la supraconductivité peut exister. La dernière catégorie où le champ magnétique crée des nouveaux états, fait partie du magnétisme quantique. Aujourdhui, les chimistes savent synthétiser des nouveaux cristaux très purs des oxydes des métaux de transition. Les interactions entre les charges, les moments magnétiques orbitaux, les spins et les phonons donnent une grande richesse à ces systèmes, avec beaucoup de phases différentes en fonction de la température et du dopage. Que se passe-t-il si on ajoute encore une composante, le champ magnétique ? Un champ magnétique lui aussi peut induire une transition de phase, comme la température ou la pression. Cela devient clair si on regarde un système de deux électrons avec spin ½. En général ils saccouplent anti-parallèlement pour donner une paire avec spin zéro, létat singlet. Zeeman, létat avec spin -1 a une énergie plus basse que létat avec spin égal à zéro et le système change détat. La combinaison des oxydes de métaux de transition avec la transition de phase magnétique a récemment donnée quelques résultats remarquables. Cest un système des couches anisotropes de dimères des ions paramagnétiques de cuivre. Le résultat des interactions entre tous les ions est que létat fondamental à champ zéro est non magnétique. Lapplication dun champ magnétique intense fait croiser létat triplet à létat singlet. De leur mélange, une nouvelle entité sort : le triplon. Cette transition de phase magnétique est visible dans la chaleur spécifique. Avec des mesures de la chaleur spécifique en fonction de la température et du champ, on peut trouver le diagramme de phase et identifier le domaine du condensât des triplons. Dans ce système, des plateaux daimantation ont été observés. Cest avec ce dernier exemple que je termine mon exposé. Jespère avoir pu vous montrer que la physique en champ magnétique intense est à la fois utile, puissante et fascinante. Je tiens à remercier tous mes collègues pour les discussions et pour mavoir fourni des images. Le champ magnétique semble toujours un peu mystérieux, pourtant les phénomènes magnétiques sont connus depuis presque trois mille ans et ont trouvé des applications partout dans notre vie quotidienne. Le but de cet exposé est à la fois d’expliquer la physique du champ magnétique et de démontrer l’importance des champs magnétiques intenses dans la recherche. La conférence débutera par un bref résumé de la physique des champs magnétiques, à la fois de façon historique et fondamentale. La manipulation magnétique concerne tous les phénomènes qui génèrent des forces mécaniques sur des objets. Ces phénomènes ont trouvés beaucoup d’applications, mais sont aussi utilisés comme outils dans la recherche. Le champ magnétique est une perturbation universelle et précise qui permet de sonder la matière et de déterminer beaucoup de paramètres physiques et chimiques. Les champs magnétiques intenses peuvent induire des nouveaux états de la matière, en particulier en combinaison avec des basses températures. Einstein dans des cristaux et la supraconductivité induite par le champ magnétique. Voir Université de tous les savoirs - La physique en champs magnétique intense