Un rotor en lévitation libre produit des capteurs ultra-précis pour la physique classique et quantique

Adrian Skov

Grâce à une conception astucieuse, des chercheurs ont résolu le problème de l’amortissement par courants de Foucault dans les systèmes macroscopiques en lévitation, ouvrant ainsi la voie à un large éventail de technologies de détection.

La lévitation est depuis longtemps recherchée tant par les magiciens de scène que par les physiciens. Pour le public, voir des objets flotter dans les airs est un spectacle merveilleux. Pour les scientifiques, c’est un moyen puissant d’isoler des objets des perturbations extérieures. Cela est particulièrement utile dans le cas des rotors, car leur couple et leur moment cinétique, utilisés pour mesurer la gravité, la pression des gaz, la quantité de mouvement, entre autres phénomènes en physique classique et quantique, peuvent être fortement influencés par le frottement. La suspension libre du rotor pourrait réduire considérablement ces perturbations. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa (OIST) ont conçu, créé et analysé un tel dispositif macroscopique, ramenant ainsi la magie de la lévitation quasi sans frottement sur terre grâce à une ingénierie de précision.

Les dispositifs à micro-échelle utilisant la lévitation optique ou électrique nécessitent des configurations extrêmement sophistiquées et sont très sensibles aux facteurs environnementaux. En revanche, les systèmes à macro-échelle utilisant la lévitation magnétique à température ambiante sont à la fois plus simples et beaucoup plus résistants à l’environnement. Comme ils sont soumis à la gravité, contrairement aux particules atomiques suspendues dans les dispositifs à micro-échelle, ils présentent un intérêt tant pour la gravimétrie pratique que pour la recherche fondamentale à la frontière entre la physique quantique et la physique classique. Cependant, ces configurations ont longtemps été entravées par ce qu’on appelle l’amortissement par courants de Foucault.

Dans une étude récemment publiée dans Communication Physics, les membres de l’unité Quantum Machines de l’OIST ont trouvé une solution élégante. Daehee Kim, doctorant au sein de l’unité et premier auteur de l’article, indique : « À l’aide d’un disque de graphite d’un centimètre et de quelques aimants en terres rares, nous avons démontré expérimentalement et prouvé analytiquement comment créer un rotor en lévitation diamagnétique qui ne subit aucun amortissement par courants de Foucault grâce à sa symétrie axiale. Si nous parvenons à ralentir suffisamment sa rotation, son mouvement entrera dans le régime quantique, ce qui pourrait ouvrir une toute nouvelle plateforme pour la recherche quantique. »

Renverser la situation des courants de Foucault

Lorsqu’un matériau conducteur change de position dans un champ magnétique non uniforme, par exemple en se rapprochant ou en s’éloignant des aimants, des courants circulants – ou tourbillons – d’électrons se forment à l’intérieur du matériau, créant des champs magnétiques opposés qui résistent au mouvement un peu comme une traînée de frottement. Lorsque cela est souhaité, l’amortissement par courants de Foucault a de nombreuses applications pratiques, comme dans les freins efficaces des outils électriques et des trains à grande vitesse Shinkansen. Mais si vous souhaitez mesurer des phénomènes physiques à travers le mouvement d’un rotor, cette friction pose problème.

L’année dernière, les chercheurs de l’unité ont relevé ce défi en fabriquant une plaque carrée à partir de poudre de graphite recouverte de silice et enrobée de cire, qui confinait les courants de Foucault aux grains individuels de poudre plutôt qu’à l’ensemble de la plaque, réduisant ainsi considérablement l’amortissement par courants de Foucault. Le développement de cette plaque en lévitation a ouvert la voie à des accéléromètres précis, extrêmement sensibles aux phénomènes physiques tels que la gravité. Un dispositif directement basé sur une version antérieure de la conception de l’unité a récemment été envoyé dans l’espace afin de valider le concept pour de futures expériences de lévitation spatiale, telles que l’étude des interactions de la matière noire et des ondes gravimétriques, entre autres questions fondamentales de physique.

Cependant, la cire utilisée pour combiner la poudre de graphite recouverte de silice a considérablement réduit la puissance de lévitation du système, le rendant moins adapté à l’intégration dans d’autres systèmes, car un poids supplémentaire, tel que celui d’un miroir utilisé pour suivre sa rotation, pourrait le perturber.

Le nouveau disque rotor est entièrement fabriqué en graphite, ce qui lui permet de conserver une forte force de lévitation et d’éliminer complètement l’amortissement par courants de Foucault dans un système idéal.

« La conception de la plaque subit un léger amortissement par courants de Foucault lorsqu’elle se déplace de haut en bas, car la force magnétique – ou le flux – change, formant des courants de Foucault à l’intérieur des grains de graphite recouverts de silice », ajoute le professeur Jason Twamley, chef de l’unité et auteur principal de l’étude. « Mais un rotor reste dans le même champ magnétique lorsqu’il tourne autour de son axe central au-dessus des aimants. Il ne subit pas de changement de flux, ce qui élimine donc l’amortissement par courants de Foucault. »

Modélisée à l’aide de simulations, prouvée mathématiquement et démontrée expérimentalement, la précision du système dépend désormais uniquement de l’usinage de la plaque de graphite et des aimants afin d’obtenir une symétrie axiale idéale, ainsi que de la réduction de la friction de l’air en se rapprochant autant que possible d’un vide parfait.

« Grâce à des améliorations pratiques apportées au processus de fabrication, notre rotor en lévitation est parfait pour les capteurs extrêmement précis fonctionnant à l’échelle du millimètre plutôt que du nanomètre », résume le professeur Twamley. « Il peut être mis en rotation pour servir de gyroscope précis et fiable ou être refroidi pour entrer dans le régime quantique. Nous nous intéressons particulièrement à cette dernière option, car il s’agit d’une plateforme très prometteuse pour l’étude des phénomènes quantiques tels que la gravité du vide et la superposition rotationnelle à un niveau macroscopique. »

Journal: Communications Physics – Author(s): Daehee Kim, Shilu Tian, Breno Calderoni, Cristina Sastre Jachimska, James Downes & Jason Twamley
Date: 10 October 2025 – DOI: 10.1038/s42005-025-02318-4

Source : Okinawa Institute