Le récent succès d'une vidéo spectaculaire appelle quelques explications. Une équipe de l'université de Tel-Aviv (avec le Français Guy Deutscher) a mis en ligne une vidéo présentant un effet étonnant où l'on voit léviter une grosse pastille au-dessus d'une surface. Surtout, la pièce apparaît en suspension aussi bien à l'horizontale qu'inclinée et semble comme figée dans cette position.

"C'est très intéressant et montre un effet quantique à notre échelle macroscopique", s'enthousiasme Julien Bobroff, enseignant-chercheur au Laboratoire de physique des solides de l'Université d'Orsay, qui lui aussi participe à des expériences aussi extraordinaires, comme cette tour Eiffel dont les trois étages lévitent. L'expérience est visible en ce moment au Trocadéro dans le cadre de l'exposition "Entrée en matière", les week-ends jusqu'au 30 octobre.

Comment ça marche ? Le socle est un aimant et la pastille est un matériau supraconducteur. C'est-à-dire qu'il perd sa résistance électrique à basse température. 2011 marque le centenaire de la découverte par Kamerlingh Onnes de ce phénomène sur le mercure refroidi avec de l'hélium liquide.

Mais avec de l'azote liquide, moins froid (vers - 200 °C) et plus facile à manipuler, des matériaux peuvent aussi devenir supraconducteurs. C'est le cas de celui utilisé par les Israéliens. La pastille lévite car elle crée un champ magnétique qui s'oppose à celui de l'aimant situé au-dessous. La hauteur dépend de l'équilibre entre son poids et les forces magnétiques.

Ce champ magnétique spontané a pour origine le déplacement des électrons du matériau qui se mettent à tourner en rond, formant des boucles de courant. Or un courant qui circule de la sorte crée un champ magnétique perpendiculaire au plan de la boucle. Et pour remonter encore plus loin dans les causes, il faut invoquer un effet purement quantique : dans le matériau, les électrons ne se comportent pas comme des individus mais comme une onde qui pour se "défendre" du champ magnétique de l'aimant se déforme en créant des boucles de courant, donc un champ magnétique. Qui plus est, comme il n'y a pas de résistance électrique, ces courants circulent indéfiniment (tant que la température reste basse...).

Cette capacité à expulser le champ magnétique est appelé effet Meissner et donne lieu à beaucoup de démonstrations spectaculaires comme un cirque ou un petit déjeuner supraconducteur réalisé dans le cadre d'une autre exposition, supradesign.

Mais pourquoi la pastille peut être bloquée dans différentes configurations ? L'effet précédent n'est en fait pas si parfait. Le champ magnétique de l'aimant n'est pas totalement expulsé du matériau supraconducteur. Il peut y pénétrer, transformant la pastille en gruyère avec des trous de quelques nanomètres de diamètre. Il ne faut pas voir ces trous comme de vrais "trous" dans la structure mais comme des défauts dans la mer d'électrons.

Le matériau est donc traversé de colonnes magnétiques qui laissent comme un empreinte indélébile dans le supraconducteur et "accrochent" à distance la pièce à l'aimant. L'astuce des israéliens a été de recouvrir leur pastille d'une mince couche supraconductrice pour laquelle ces colonnes magnétiques s'accrochent et se décrochent facilement. D'où le changement de position qui peut être observé en lévitation.

Plus d‘explications (des vidéos et des "jeux") se trouvent sur le site supraconductivite.fr mis en place par le CNRS, la Société française de physique et le réseau thématique de recherche avancée "Triangle de la physique, pour fêter le centenaire de la supraconductivité".

David Larousserie