RMN, magnétisme et santé

CLEFS CEA - N° 56 - HIVER 2007-200848

Afin d’accéder à la résolution temporelle des fonctions cognitives, les chercheurs utilisentla magnétoencéphalographie (MEG) en complément de l’IRM. Cette méthode d’imagerie fait,notamment au niveau des capteurs, des progrès qui lui ouvrent des applications élargies.

Les progrès de la magnétoencéphalographie

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) nedonne pas accès à la résolution temporelle des

fonctions cognitives qui s’enchaînent à l’échelle dequelques dizaines de millisecondes. C’est pourquoi il faut recourir à une seconde méthode d’imagerie, la magnétoencéphalographie (MEG), qui donne accèsau décours spatio-temporel de l’activité cérébrale chezl’adulte et l’enfant (Mémo C, Les principales tech-niques d’imagerie médicale, p. 36). Au niveau inter-national, presque tous les centres similaires à la plate-forme de neuro-imagerie NeuroSpin située sur lecentre CEA de Saclay (Essonne) se sont équipés d’unsystème MEG.C’est dans cette optique que le laboratoire de neuro-imagerie cognitive de NeuroSpin, le Service de phy-sique de l’état condensé du CEA et la société finlan-daise Elekta Neuromag se sont associés afin d’intégrerà la plate-forme NeuroSpin un équipement MEG denouvelle génération. À terme, les expériences cogni-tives pourront être réalisées le même jour chez lesmêmes volontaires en électroencéphalographie(EEG), en MEG et en IRM. Le projet comprend unvolet technologique important, avec le développe-ment de logiciels pour l’intégration des signaux EEG,MEG et IRM et de nouveaux capteurs de champsmagnétiques ultrasensibles basés sur l’électroniquede spin. Plusieurs équipes de sciences cognitives etde neurologie utiliseront ces outils pour l’étude desfonctions cognitives supérieures et de leurs patholo-gies chez l’adulte et l’enfant.

Plus que complémentaire de l’EEG et de l’IRMf

Le laboratoire de neuro-imagerie cognitive (unitémixte Inserm-CEA) utilise depuis de nombreusesannées l’EEG numérique à haute densité (128 ou256 capteurs), en combinaison avec l’IRM fonc-tionnelle (IRMf) afin d’étudier les mécanismes céré-braux de la cognition humaine. L’EEG présentecependant des limites et commence à être surpas-sée, pour certaines applications, par la MEG. Parrapport à l’EEG, les avantages de la MEG sont nom-breux. Son échantillonnage spatial est meilleur (plusde 300 capteurs), tandis que la sélectivité spatialedes capteurs, tout spécialement les gradiomètres pla-naires, et la moindre distorsion spatiale des signauxpermettent une reconstruction plus focale et plusréaliste de leur origine dans le cortex. La résolutiontemporelle est accrue (digitalisation > 5 kHz) etdonne un meilleur accès aux signaux de synchroniede haute fréquence. Enfin, l’EEG et la MEG n’étantpas également sensibles aux mêmes sources céré-

Mise en évidence par imagerie MEG d’une corrélation importante entre l’activité cérébraleet la vitesse de la main au cours d’une tâche (manipulation d'une souris d’ordinateur). Le cerveau est représenté selon une vue de côté (au milieu) et de l'une de ses partiesmédianes (en bas). L'imagerie MEG révèle un réseau de régions dont l'activité en bassesfréquences est synchronisée à la vitesse de la main. Les tracés montrent la vitesse de la main (en vert), enregistrée pendant une durée de 3 secondes, et l'activité cérébralecorrespondante (en bleu) dans la région principale impliquée dans la motricité de la main.

Sylv

ain

Bai

llet e

t Kar

im J

erbi

/CN

RS

1

0

-1

0 1 2 3(s)

CLEFS CEA - N° 56 - HIVER 2007-2008 49

brales présentent une complémentarité naturellepour l’étude de l’activité du cortex cérébral humaindans son ensemble.À partir des signaux EEG comme des signaux MEG,des algorithmes sophistiqués de traitement du signalpermettent de proposer des reconstructions relative-ment réalistes de l’évolution temporelle de l’activitécorticale telle qu’elle aurait pu être enregistrée en toutpoint de la surface du cortex avec une précision tem-porelle de quelques millisecondes. C’est ainsi que, dansles dernières années, des images détaillées de la dyna-mique de l’activité cérébrale humaine ont été obte-nues, par exemple pendant la compréhension des motsentendus ou lus (figure 1). Il faut souligner que cesimages ne sont qu’une reconstruction théorique surordinateur, non une observation directe de l’activitécorticale, en sorte qu’elles continuent à être discutéeset constamment améliorées. Néanmoins, il est justede dire que, dans les trois dernières années, ces ima-ges obtenues à partir des enregistrements MEG ontatteint un degré de précision et de plausibilité inégalé,qui les rend comparables aux images d’IRM ou detomographie par émission de positons.Les études de la pathologie cérébrale ont égalementlargement bénéficié de la très grande sensibilité de laMEG pour détecter de fines anomalies spatiales outemporelles de l’activité cérébrale. Par exemple, l’ima-gerie de la lecture des mots isolés a démontré, chez lesenfants dyslexiques, d’importantes anomalies vers170 ms dans l’activation de la région occipito-tempo-rale ventrale gauche impliquée dans la reconnaissanceinvariante de la forme visuelle des mots. De nombreuses

applications cliniques sont en cours de développement,particulièrement dans le domaine de l’épileptologieoù la MEG fournit des informations essentielles sur lalocalisation et la propagation des crises.Utilisée seule, la MEG possède également certaineslimites. S’agissant d’une cartographie de champ, sa précision spatiale est imparfaite (1), car il existe uneambiguïté dans la résolution du “problème inverse”qui consiste à reconstruire les sources intracrâniennesactivées à partir des enregistrements EEG ou MEG.La MEG est également limitée dans sa capacité àdétecter certains types de signaux qui proviennentde sources profondes ou orientés perpendiculaire-ment à la surface du scalp. C’est le cas, par exemple,des signaux de la région cingulaire antérieure dont lerôle dans le contrôle exécutif et les anomalies dans laschizophrénie en font un sujet de recherche de grandintérêt. Fort heureusement, il existe dans ce domaineune complémentarité naturelle entre la MEG, l’EEGet l’IRMf, sur trois points.

L’EEG, un pont entre la MEG et l’IRMf

La MEG est particulièrement sensible aux sourcessituées sur les flancs des sillons corticaux, tandis quel’EEG montre les réponses les plus focales aux sourcesradiales se trouvant à la surface des sillons, et qui sontprécisément celles moins visibles en MEG. Certainstravaux suggèrent également – bien que cela soit plus

Figure 1. Séquence d’activité corticale distribuée durant le traitement des mots, reconstruite à partir de données MEG (à gauche, d’après Marinkovic et al. 2003) et de données EEG (à droite, d’après Sergent et al. 2005). La localisation spatiale des sources est clairement moins précise en EEG qu’en MEG (comparer par exemple l’image des mots écrits vers 300 ms).

(1) C’est pourquoi de petites bobines dont la position estconnue sont souvent placées sur le crâne du sujet, ce qui génère un signal sur la carte des champs magnétiques.

région temporale moyenne

vu

non vu

mots parlés

55 100

170 170

250 250

320 320

420 420

mots écrits

t = 300 ms

t = 436 ms

t = 436 ms

1,0

2,0

0-200 0 200 400 600

région préfrontale dorsolatérale

0,5

1,0

0-200 0 200 400 600

région cingulaire antérieure

0,5

0-200 0 200 400 600

région frontale inférieure

0,5

1,0

1,5

0-200 0 200 400 600

x10-8

x10-8

x10-8

x10-8

Comment fonctionne un capteur mixte?Un capteur mixte est composé d’une boucle supraconductrice de grandetaille contenant en un point une constriction de l’ordre du micron (figure).Lorsqu’un champ magnétique est appliqué à la boucle, un courant y estinduit. Au niveau de la constriction, la densité de courant est très grandeet un champ local est créé, plusieurs milliers de fois plus intense que lechamp appliqué. Un capteur magnétique appelé magnétorésistance géante,de taille micronique, vient mesurer ce champ. Les magnétorésistancesgéantes issues de l’électronique de spin sont les capteurs de champ utili-sés dans les têtes de disques durs informatiques actuels. L’ensemble per-met d’atteindre une sensibilité de l’ordre du femtotesla (10-15 tesla).

RMN, magnétisme et santé

CLEFS CEA - N° 56 - HIVER 2007-200850

discuté – une sensibilité différente de ces deux métho-des aux signaux de synchronie de haute fréquence, avecune activité dans la bande gamma(2) facilement détec-table en EEG et une activité dans la bande bêta(3) peut-être plus visible en MEG(4). Enfin, l’IRMf détecte dessignaux hémodynamiques lents (signaux BOLD), maisdont l’amplitude est hautement corrélée aux signauxde haute fréquence mesurables en EEG et en MEG. Les signaux IRMf ont une très haute précision spatiale(de l’ordre de 1 ou 2 mm), mais sont considérable-ment lissés dans le domaine temporel par convolutionavec la fonction de réponse hémodynamique. Bien qu’ilne soit pas impossible, par diverses astuces expéri-mentales, d’atteindre une précision temporelle de l’ordre de quelques centaines de millisecondes en IRMf,l’EEG et la MEG sont plus précises d’au moins un ordrede grandeur sur le plan temporel.L’équipe NeuroSpin entend tirer parti des avantagesrespectifs des trois techniques à l’aide d’enregistre-ments partiellement simultanés. Elle prévoit de réali-ser les mêmes expériences cognitives, chez les mêmesvolontaires et patients, en utilisant, d’une part, l’EEGet l’IRMf simultanées, d’autre part, la MEG et l’EEGsimultanées. Ainsi, l’EEG à haute résolution servirade pont entre la MEG et l’IRMf. Des méthodes ontété développées pour corréler de façon croisée lessignaux EEG et IRMf enregistrés simultanément etobtenir ainsi une résolution spatiale du niveau deprécision de l’IRM sur les sources EEG. De même,l’enregistrement simultané EEG et MEG améliore larésolution spatio-temporelle des reconstructions desources distribuées. La mise en liaison, au sein dumême logiciel, des trois sources de signaux (EEG, MEGet IRMf) doit donc conduire à des modèles d’activitécérébrale d’un haut degré de précision.À plus long terme, les chercheurs espèrent pouvoirréaliser sur le même appareil de la MEG et de l’IRMbas champ en simultané afin de disposer d’une trèsbonne résolution spatiale en MEG, aisément complé-tée par l’IRMf. Une initiative importante au niveaueuropéen est lancée à cet effet début 2008.

De nouveaux capteurs pour la MEG

Les champs magnétiques rayonnés par les courantsneuronaux sont extrêmement faibles, environ10 femtoteslas (1 fT = 10-15 tesla). En comparaison,le champ magnétique terrestre est 10 milliards defois plus grand ! Les seuls capteurs actuellementcapables de détecter ces faibles signaux sont les Squidsrefroidis à l’hélium liquide (4 K) afin d’atteindredes niveaux de bruit de l’ordre du femtotesla.Au Service de physique de l’état condensé, un nou-veau type de capteurs, appelés capteurs mixtes, offrela possibilité d’atteindre cette sensibilité (encadré).Ainsi, les dispositifs actuels présentent à 4 K desbruits de près de 5 fT/√Hz et de 30 fT/√Hz à 77 K(température de l’azote liquide). La prochaine géné-ration de capteurs mixtes, maintenant fabriqués

Figure. Exemple de capteur mixte. La boucle supraconductrice apparaît en bleu, le capteurmagnétorésistif (en forme de C) en blanc et les contacts de mesure de la résistanceen jaune.

MEG

Inte

rnat

iona

l Ser

vice

s Lt

d.

CEA

Dispositif de magnétoencéphalographie. La plate-forme de neuro-imagerie NeuroSpin va s’équiper d’un système MEGde nouvelle génération.

(2) Bande gamma: rythme de l’activité cérébrale (obtenu partransformée de Fourier ou analyse en ondelettes d’un signalélectroencéphalographique) correspondant à la bande defréquences entre 30 et 100 Hz.

(3) Bande bêta : rythme de l’activité cérébrale correspondant à la bande de fréquences entre 15 et 30 Hz.

(4) Voir, par exemple, J. GROSS et al., PNAS, 2004.

CLEFS CEA - N° 56 - HIVER 2007-2008 51

par une entreprise allemande, devrait permettred’atteindre 1 fT/√Hz à 4 K et 5 fT/√Hz à 77 K. UneMEG travaillant à l’azote liquide présenterait le dou-ble avantage de ne pas nécessiter d’écran métallique,source importante de bruit, et d’être plus prochedu crâne, ce qui augmenterait considérablement larobustesse et la précision des signaux, particulière-ment chez l’enfant.De plus, ces capteurs se sont révélés particulièrementbien adaptés à la détection de la résonance magné-tique des protons à bas champ, ce qui laisse envisa-ger la possibilité de construire un appareil hybridecombinant la mesure MEG et l’IRM à bas champ.

Des applications dans de nombreuxdomaines

Le prochain centre de magnétoencéphalographie seraouvert à tous les laboratoires intéressés. La MEG pré-sente en effet une variété d’applications cognitives etcliniques, et plusieurs groupes de recherche ont mani-festé leur intérêt d’utiliser, à terme, cet équipement.Les projets qui pourraient démarrer à court termes’organisent autour des grands axes de la cognitionhumaine, du développement du cerveau humain, etde leurs pathologies respectives.

La cognition humaine et ses pathologiesLe cerveau humain présente des compétences uniques,par exemple, pour le langage, la lecture, le raisonne-ment, ou le contrôle conscient. Ces compétences sontégalement associées à des pathologies spécifiques. Pources raisons, il n’existera jamais de modèle animal entiè-rement satisfaisant de la dyslexie ou de la schizophrénie.C’est donc dans ces domaines propres au primatehumain que l’imagerie cérébrale offre un intérêt uniquede visualisation non invasive in vivo, auquel aucuneautre méthode disponible chez l’animal ne peut sesubstituer.Cela fait au moins une dizaine d’années que l’IRMfpermet de décrire la distribution anatomique desréseaux cérébraux impliqués dans ces grandes fonc-tions cognitives. C’est pourquoi les chercheurs duCEA sont convaincus que la prochaine étape sera ladissection temporelle des opérations cognitives humai-nes. Ainsi, la plupart de leurs projets se focalisent-ilssur la compréhension de la dynamique de l’activité

cérébrale. Comment, et en combien de temps, un motécrit ou parlé est-il traité non consciemment et perçuconsciemment? Quelle séquence d’activité conduit àreconnaître d’abord sa forme, puis sa prononciationet son sens ? Comment ces processus sont-ils désor-ganisés dans la schizophrénie ou chez les enfants dys-lexiques et les adultes devenus alexiques à la suite d’unaccident vasculaire cérébral? Comment l’activité céré-brale spontanée, qu’elle soit normale ou induite parune activité épileptique, interagit-elle avec ces fonc-tions cognitives ?

Le développement du cerveau humain et ses pathologiesLe développement du cerveau humain reste l’un desdomaines les moins étudiés des neurosciences cogni-tives. Ce relatif désintérêt est principalement dû à unmanque de méthodes appropriées d’investigation. Le laboratoire de neuro-imagerie cognitive a été le pion-nier de l’imagerie du cerveau du nourrisson, d’aborden EEG, puis en IRMf. Cependant, ces méthodes res-tent très délicates à employer, surtout l’IRM qui pré-sente un problème de bruit acoustique élevé. La MEG,qui est totalement silencieuse et cependant précise avecune résolution spatiale de l’ordre de 2 mm, pourraitjouer un rôle essentiel dans la caractérisation de l’acti-vité cérébrale de l’enfant et du nourrisson. Aussi plu-sieurs projets soulèvent-ils des questions spécifiques audéveloppement. Comment le cerveau du nourrissonest-il organisé pour le langage, et comment cette orga-nisation est-elle altérée chez les enfants prématurés?Comment l’organisation cérébrale se modifie-t-elleavec l’acquisition de la lecture? Pourquoi l’apprentis-sage de la lecture échoue-t-il chez les enfants dys-lexiques? Le domaine de l’épilepsie infantile et de sesconséquences sur le développement cognitif sera éga-lement un domaine naturel d’application clinique ducentre MEG.

> Stanislas Dehaene Institut d’imagerie biomédicale – NeuroSpin

Direction des sciences du vivantCEA Centre de Saclay

et Claude Fermon Institut rayonnement matière de Saclay (Iramis)

Direction des sciences de la matièreCEA Centre de Saclay

Réponses auditives à des syllabes enregistrées par MEG chez des nourrissons à plusieurs moments de la première année de vie. (Ces résultats ont été obtenuspar l'équipe de Patricia K. Kuhl, Institute for Learning and Brain Sciences, université de Washington, Seattle, États-Unis).

nouveau-nés âgés de 6 mois âgés de 12 mois

syll

abe

0,08

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,06 0,04 0,02 0 -0,02 -0,04 -0,06 0,08

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,06 0,04 0,02 0 -0,02 -0,04 -0,06 0,08

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,06 0,04 0,02 0 -0,02 -0,04 -0,06

UW

Inst

itute

for

Lear

ning

and

Bra

in S

cien

ces

L’imagerie médicale est une méthodeunique permettant de visualiser des pro-cessus biologiques au sein même desorganismes vivants, de manière non inva-sive. Elle est essentielle à la compréhen-sion de leur physiologie et de leurs patho-logies afin de mieux les diagnostiquer, lespronostiquer et les soigner. L’imagerieconstitue donc un outil d’investigation dechoix de plusieurs champs de la méde-cine et de la biologie.Initiée avec la radiographie par rayons X,l’imagerie médicale a bénéficié de la décou-verte de la radioactivité artificielle et destechniques de détection associées pour sedévelopper. Par la suite, la découverte dela résonance magnétique nucléaire (RMN)puis des aimants supraconducteurs a per-mis des avancées technologiques signifi-catives dans le domaine de l’imagerie parrésonance magnétique (IRM).

Parmi les principales méthodes d’image-rie dynamique du cerveau humain, l’élec -troencéphalographie (EEG) permet demesurer l’activité électrique du cerveau,provoquée par le courant généré dans lesneurones, à l’aide d’électrodes placéessur le cuir chevelu (le scalp). Elle rensei-gne sur l’activité neurophysiologique ducerveau au cours du temps et en parti-culier du cortex cérébral, soit dans un butdiagnostique en neurologie, soit dans larecherche en neurosciences cognitives.La magnétoencéphalographie (MEG)enregistre les champs magnétiquesinduits par les courants générés par lesneurones au moyen de capteurs posi-tionnés à proximité de la tête. Employéedans un but clinique en neurologie,notamment pour le cas de l’épilepsie,ainsi que dans la recherche en neuro-sciences cognitives, cette technique

autorise également l’étude de maladiesdéveloppementales (dyslexie), psychia-triques (schizophrénie) et neurodégéné-ratives (Parkinson, Alzheimer).La tomographie par émission de posi-tons (TEP) consiste à administrer par voieintraveineuse une molécule marquée avecun isotope radioactif afin de suivre, pardétection externe, le fonctionnement nor-mal ou pathologique d’un organe. Lestraceurs radioactifs présentent lesmêmes propriétés physico-chimiquesque leurs homologues non radioactifs sice n’est qu’ils possèdent la particularitéd’émettre un rayonnement. Ils serventdonc de balise pour suivre, à l’aide d’ou-tils de détection appropriés, le chemine-ment d’une molécule préalablement mar-quée dans l’organisme. Les valeurs ainsirecueillies sont ensuite analysées ettransformées à l’aide d’un modèle mathé-matique afin de permettre la recons-truction à l’écran d’une image représen-tant la position du radiotraceur dansl’organisme. La TEP est aujourd’hui lar-gement utilisée pour des études physio-logiques et physiopathologiques de lacognition et du comportement, ainsi quepour l’étude de différentes pathologiesaffectant le système nerveux centraltelles que l’épilepsie, l’ischémie céré-brale, les accidents vasculaires cérébrauxet les maladies neurodégénératives(Parkinson, Huntington…).L’imagerie par résonance magnétiquenucléaire (IRM) est une méthode d’ima-

Les principales techniques d’imagerie médicaleCMÉMO

Image en TEP. Les positons émis par les traceurs radioactifs préalablement injectés au patient sontdétectés par la caméra TEP, ce qui permet, après analyse informatique, de reconstituer une image en 3D de l’organe étudié.

P. S

trop

pa/C

EA

SHFJ

/CEA

Dépression mélancolique. Fusion d’imagesen TEP mesurant l’activité énergétiquerégionale avec l’image en IRMa du cerveaud’un patient. Les zones hypoactivées sontdétectées individuellement.

gerie fonctionnelle d’investigation in vivonon traumatique. Capable d’étudier destissus dits mous, tels que le cerveau, lamoelle épinière, les muscles, elle permetd’en connaître la structure anatomique,mais également d’en suivre le fonctionne-ment ou le métabolisme. Il s’agit dans lepremier cas d’une IRM anatomique (IRMa),dans le deuxième d’une IRM fonctionnelle(IRMf) et dans le troisième de la spectros-copie IRM (SRM).L’IRM utilise le phénomène de la RMN,technique de spectroscopie découverteen 1946 qui tire profit des propriétésmagnétiques des noyaux atomiques.Certains noyaux, ceux d’hydrogène parexemple, sont dotés d’un petit momentmagnétique ou spin. La RMN consiste àdétecter les variations de l’aimantationdes noyaux atomiques sous l’action d’unchamp magnétique extrêmement puis-sant et d’une onde électromagnétiqueexcitatrice. Lors de l’application d’uneonde électromagnétique de fréquenceadaptée, la fréquence de résonance, cesnoyaux changent d’orientation puis émet-

tent des signaux en retrouvant leur posi-tion d’origine. Avec les progrès de l’in-formatique et des champs magnétiques,la RMN est passée de la physique de lamatière condensée à l’analyse chimiquepuis à la biologie structurale, et plusrécemment à l’imagerie médicale.L’IRM anatomique. L’IRM offre la possibilité de visualiser l’anatomie d’organes profondset opaques. En observant,sous l’effet d’un champmagnétique intense, larésonance des noyauxd’hydrogène, présentsen abondance dansl’eau et les graisses des tissus biologiques,cette technique permeten particulier de visua-liser le cerveau en cou-pes montrant les détailsdes structures cérébrales(matière grise, matièreblanche) avec une précisionmillimétrique. Cette image-

rie “anatomique” est utilisée par les radio-logues pour la détection et la localisationde lésions cérébrales.L’IRM fonctionnelle. Plus récemment,grâce à la vitesse d’acquisition et de trai-tement de données, l’IRM est aussi deve-nue “fonctionnelle”, révélant l’activité desdifférentes structures qui composent notrecerveau. Quand nous parlons, lisons, bou-geons, pensons…, certaines aires de notrecerveau s’activent. Cette activation desneurones se traduit par une augmentationdu débit sanguin local dans les régionscérébrales concernées. C’est cette aug-mentation locale et transitoire de débit san-guin, et non directement l’activité desneurones, qui peut être détectée par l’IRMfdu fait de l’aimantation de l’hémoglobinecontenue dans les globules rouges.L’IRM de diffusion (IRMd). C’est un outilpuissant pour mesurer, à l’échelle micro-scopique, les mouvements des moléculesd’eau et établir ainsi l’architecture fine dutissu neuronal et de ses variations. Elleoffre une mesure plus directe que lesméthodes d’imagerie classiquement uti-lisées. Elle permet de sonder la structuredes tissus à une échelle bien plus fine quela résolution des images IRM et se révèleplus rapide.La spectroscopie par résonance magné-tique nucléaire (SRM) complète cette palettede technologies en fournissant une méthodenon invasive d’étude de la biochimie et dumétabolisme du système nerveux central.Elle permet la quantification précise de plu-sieurs dizaines de molécules et est baséesur le même principe que l’IRM.

Image acquise avec le système IRM de 3 T du SHFJ situé à Orsay (Essonne). Cette technique permetune analyse très fine des lésions infectieuses ou inflammatoires, des anomalies des vaisseaux, ainsique des tumeurs.

P. S

trop

pa/C

EA

L’IRMd permet le diagnostic très précoce de certainespathologies et la visualisation des faisceaux de fibres (matièreblanche) qui relient les différentes régions cérébrales.

V. E

l Kou

by, M

. Per

rin,

C. P

oupo

n et

J.-

F. M

angi

n, S

HFJ

/CEA

Un peu d’histoireDes trains qui “volent“ en lévitationmagnétique au-dessus de leur voie, leproblème du stockage de l’électricité enfinrésolu grâce à d’énormes bobines magné-tiques, un appareillage électrotechniqueet des câbles de transport électrique quine présentent plus de pertes, des champsmagnétiques pour explorer le corpshumain et en livrer des images toujoursplus précises : la supraconductivité n’acessé de faire rêver depuis qu’en 1911, leNéerlandais Heike Kammerlingh-Onnesa découvert la propriété extraordinairequ’ont les matériaux supraconducteursde présenter, en dessous d’une tempé-rature qualifiée de température critique(qui dépend de la masse isotopique), unerésistance électrique si faible qu’elle n’estpas mesurable. Il fut récompensé par leprix Nobel de physique en 1913.Outre une résistance nulle et uneconductivité électrique sans entrave,les supraconducteurs découverts parKammerlingh-Onnes (ils seront plus tardqualifiés de type I) possèdent une autrepropriété remarquable qui se mani-feste par l’effet Meissner, découvert en

1933 par le chercheur allemand WalterMeissner et son compatriote RobertOchsenfeld. Ils offrent un diamagnétismeparfait (si on néglige la longueur de péné-tration de London (1)), c’est-à-dire que lechamp magnétique en est totalementexpulsé tant que le champ est inférieurau champ critique alors qu’un matériauparfaitement conducteur devrait présen-ter un champ égal au champ appliqué.Là réside la deuxième barrière qui limiteencore l’application des supraconduc-teurs: au-dessus d’un champ magnétiquecritique, la supraconductivité disparaît.Les physiciens ont longtemps cru qu’iln’existait qu’un type de supraconducti-vité et que les anomalies magnétiquesconstatées dans certains échantillonsn’étaient dues qu’à la présence d’impu-retés. Mais dès les années 50, le RusseVitaly L. Ginzburg émettait l’idée, avecson compatriote Lev Davidovitch Landau,

qu’il existait en fait deux types de supra-conducteurs.Ce n’est qu’en 1957 que le Russo-Améri -cain Alexei A. Abrikosov identifia la supra-conductivité de type II, présentant uneaimantation complètement différentecaractérisée par l’état mixte et autori-sant la supraconductivité en présence dechamps magnétiques très élevés. De fait,les supraconducteurs de ce type n’obéis-sent pas à l’effet Meissner. Les travauxd’Abrikosov lui vaudront en 2003 le prixNobel de physique avec Ginzburg etl’Anglo-Américain Anthony J. Leggett. Et ce n’est qu’en cette même année 1957que les Américains John Bardeen, LeonN. Cooper et John R. Schrieffer purentproposer une théorie de la supracon-ductivité, distinguée par le prix Nobel dephysique en 1972. D’après la théorie BCS(initiales de leurs noms), les électrons sedéplacent par paires de Cooper (deuxélectrons de spins opposés) en formantdes bosons (de spin nul), condensés dansun seul état quantique, sous l’effet dephonons, phénomène vibratoire égale-ment quantique. Cette interaction entreélectrons et phonons est à l’origine de la

Supraconductivité et supraconducteursBMÉMO

Un des principaux domaines d’application de la supraconductivité est l’imagerie médicale. Ici, l’imageur par résonance magnétique de 3 teslas du SHFJsitué à Orsay (Essonne).

P. S

trop

pa/C

EA

(1) En 1935, Fritz et Heinz London introduisirentune autre explication de l’effet Meissner enémettant l’idée que le champ magnétique décroîtà partir de la surface du supraconducteur sur une longueur caractéristique λL appelée longueurde pénétration.

résistivité et de la supraconductivité.Attirés par le passage très rapide d’unélectron (106 m/s), les ions se déplacentet génèrent une zone électriquement posi-tive qui le demeure après ce passage, per-mettant l’attraction d’un nouvel électronqui s’apparie au premier en dépit de larépulsion coulombienne. Cette configura-tion ne résiste toutefois pas à l’agitationthermique, ce qui explique pourquoi la tem-pérature est l’ennemie du phénomène desupraconductivité.La théorie BCS, valable pour les supra-conducteurs dits conventionnels, ne per-mettait d’ailleurs pas d’envisager l’appa-rition de la supraconductivité à destempératures relativement élevées, c’est-à-dire supérieures à celle de l’azote liquide(77 K, soit - 196 °C), a fortiori à la tempé-rature ambiante. Ce palier des 77 K futatteint avec des composés tels que Y-Ba-Cu-O (les records sont actuellement del’ordre de 165 K, à pression élevée, et de138 K, soit - 135 °C, à pression normale).L’Allemand Johannes Georg Bednorz et leSuisse Karl Alexander Müller se virentdécerner en 1987 le prix Nobel pour ladécouverte des supraconducteurs nonconventionnels sous forme de matériaux àstructure pérovskite de cuivre à base de lan-thane qui présentent une supraconducti-vité à une température de 35 K (-238 °C).En remplaçant le lanthane par de l’yttrium,en particulier dans l’YBa2Cu3O7, il a été parla suite possible d’augmenter sensible-ment la température critique et de déve-lopper la famille des cuprates, supracon-ducteurs efficaces mais difficiles à mettreen œuvre pratiquement pour l’électro-technique dans la mesure où ce sont descéramiques. Les supraconducteurs à hautetempérature critique sont tous des supra-conducteurs de type II.

Le magnétisme étrange des supraconducteurs de type IIEn présence d’un champ magnétique, lessupraconducteurs de type II offrent un dia-magnétisme parfait jusqu’au champ Hc1 demanière comparable aux supraconduc-teurs de type I. À partir de Hc1, le supra-conducteur de type II est dans l’état mixtequi autorise une pénétration partielle duchamp jusqu’au champ Hc2 (figure 1) etdonc une supraconductivité à haut champ.L’état mixte se présente comme unensemble de cœurs à l’état normal quiemplissent le matériau supraconducteurà partir de Hc1, chacun contenant un quan-tum de flux (2,07 · 10-15 weber) et entouréd’un vortex de courants supraconducteurs(figure 2). Lorsque le champ magnétiqueaugmente, le réseau se densifie jusqu’àcombler complètement le matériau supra-conducteur à Hc2.La distinction entre les deux types de supra-conductivité est très liée à la notion de lon-gueur de cohérence � et à la notion de pro-

fondeur de pénétration �L, qui caractéri-sent l’interface entre une région normaleet une région supraconductrice. � repré-sente la variation spatiale de l’état supra-conducteur (densité d’électrons supracon-ducteurs) et �L la longueur de pénétrationde London du champ magnétique. Le rap-port de ces deux longueurs caractéristiques,appelé paramètre de Ginzburg-Landau etnoté � (� = �L/�) détermine le type de supra-conductivité. Si �<�2/2, le supraconducteurest de type I, si �>�2/2, le supraconducteurest de type II.À l’interface, la pénétration du champmagnétique, définie par �L, correspond àune augmentation de l’énergie libre dansle matériau supraconducteur, tandis quela constitution de l’état supraconducteur,caractérisée par la longueur de cohérence,se rapporte à une diminution de l’énergielibre. Le bilan énergétique de l’interfacedépend du rapport �. Dans le cas des supra-conducteurs de type II, l’état mixte résulte

Décoration magnétique de la surface d’un supraconducteur dans l’état mixte.

Figure 2. Schéma d’un vortex mettant en évidence la longueur de cohérence et la profondeur de pénétration.

Suite page 18

(d’a

près

Lav

oisi

er, “

Mat

éria

ux s

upra

cond

ucte

urs”

)

U. E

ssm

ann

et H

. Trä

uble

Figure 1. Induction moyenne dans des supraconducteurs de type I et de type II en fonction du champ extérieur.

(d’a

près

Lav

oisi

er, “

Mat

éria

ux s

upra

cond

ucte

urs”

)

indu

ctio

n m

oyen

ne

champ extérieur

type I type II

Hc1

indu

ctio

n m

oyen

ne

champ extérieur

état supra-

conducteur

état mixte

étatnormal

Hc2Hc1

cœur normal

2 ξ

cœurnormal

courantsd’écrantage

zone supraconductrice

courantssupraconducteurstourbillonnaires

Happliqué

zonesupraconductrice

λL

B

inductionzone

supraconductrice

donc de la création d’un grand nombred’interfaces. Chaque interface corresponden effet à un bilan négatif d’énergiequi rend énergétiquement favorablela supraconductivité au-delà de Hc1

(tableau).

Les applicationsDu point de vue des applications, lasupraconductivité de type I ne présentepas grand intérêt. La température cri-tique, qui limite donc les applicationsde la supraconductivité, est malheu-reusement très faible dans le cas desdeux supraconducteurs qui autorisentaujourd’hui des applications concrètes :le niobium-titane NbTi (9,2 K) –les pre-miers câbles supraconducteurs en alliageniobium-titane sont apparus au débutdes années soixante– et le niobium-étainNb3Sn (18 K). La mise en œuvre de leursupraconductivité nécessite une réfri-gération à la température de l’hélium

liquide (4,2 K) (2), température qui a cons-titué le premier jalon vers la tempéra-ture ambiante, véritable Graal de lasupraconductivité.Si les supraconducteurs de type II peu-vent supporter des champs magnétiquestrès élevés, ils sont également capablesde transporter des densités de courantimpressionnantes, jusqu’à une valeurelle aussi critique, fonction du champmagnétique (figure 3) : les premiersaimants supraconducteurs vont ainsiapparaître. Dans ces conditions, les den-sités de courant possibles sont très gran-des devant celles qui sont réalisablesdans l’électrotechnique domestique ouindustrielle (de l’ordre de 10 A/mm2).Depuis les années soixante-dix, le CEAs’intéresse essentiellement aux appli-cations liées à la production de champsmagnétiques permanents intensesdans des grands volumes (confinementmagnétique de plasmas de fusion, phy-sique des particules, imagerie médicale).

Ce sont en fait les applications large-ment dominantes des supraconducteursde type II, essentiellement le NbTi (3).Dans ce cas, la supraconductivité per-met d’économiser une puissance élec-trique considérable, même en prenanten compte le rendement cryogénique desinstallations, qui fait qu’un watt dissipéà 4,2 K nécessite de dépenser au mini-mum 300 W à la température ambiantepour les installations industrielles detrès grande puissance.Certains chercheurs dans le mondeentier rêvent toujours d’une supracon-ductivité à température ambiante, maisla supraconductivité appliquée sembleencore liée pour longtemps à la réfri-gération à très basse température.

BMÉMO

(2) Il faudrait en fait faire remonter l’histoire de la supraconductivité à William Ramsay qui,en 1895, fut le premier à isoler l’hélium. Que serait en effet la supraconductivité sans l’hélium qui est le vecteur de laréfrigération à très basse température?Rappelons que Kammerlingh-Onnes finit par liquéfier l’hélium en 1908 après les tentatives infructueuses de James Dewar à la fin du dix-neuvième siècle, ouvrant la voie à la découverte de la supraconductivité.

(3) Sa production est de l’ordre de 1500 à 2000 tonnes par an.

La découverte de la supraconductivité à haute température critique a rendupossible la vision directe à l’air libre d’unemanifestation de la supraconductivité qui est celle de l’aimant flottant au-dessus d’une pastille d’YBaCuO refroidie à l’azoteliquide et qui est maintenant bien connue.

LEG

Gre

nobl

e

Tableau. Les caractéristiques de quelques supraconducteurs de type I et de type II. μ0 · Hc1 et μ0 · Hc2 représentent les inductions magnétiques, μ0 étant la perméabilité magnétique du vide (et du matériau dans le cas présent).

matériau � (μm) �L (μm) � Tc (K) μ0 · Hc1 (teslas) μ0 · Hc2 (teslas)0 K 0 K 0 K 0 K

type I Al 1,36 0,05 0,04 1,18 0,010 5Pb 0,083 0,037 0,5 7,18 0,080 3

type II NbTi 0,005 0,3 60 9,25 0,01 14Nb3Sn 0,003 6 0,065 18 18 0,017 25,5

YBaCuO plan 0,003 plan 0,8 � 300 93 140axe c 0,000 6 axe c 0,2

Suite de la page 17

Figure 3. Densités de courant critique caractéristiques en fonction du champ magnétique à 4,2 K pour les deux matériaux supraconducteurs les plus utilisés, notamment pour la fabricationd’aimants supraconducteurs.

dens

ité d

e co

uran

t cri

tique

(A/m

m2 )

champ magnétique (teslas)

10000

1000

100

100 5 10 15 20

niobium-étain

niobium-titane

La Terre possède son propre champmagnétique, se comportant comme un

énorme aimant. Son étude relève du géo-magnétisme. Ce champ peut, en premièreapproximation, être assimilé à celui d’undipôle centré dont l’axe ne coïncided’ailleurs pas avec celui de la rotation dela Terre puisqu’ils forment actuellementun angle de 11,5 °, valeur qui évolue aucours du temps en fonction des mouve-ments du noyau de la planète (figure).

L’angle formé entre la direction du pôlenord magnétique et celle du pôle nord géo-graphique, ou déclinaison magnétique,varie d’un point de la surface du Globe àl’autre. L’angle formé par le vecteur duchamp magnétique et la surface terrestreest l’inclinaison magnétique. Au dipôle centré sont associées des lignesde champ magnétique qui relient le pôleSud au pôle Nord. Les deux points où leslignes de champ convergent et sont verti-cales à la surface du globe correspondentaux pôles magnétiques, respectivementsitués aujourd’hui au Canada et en TerreAdélie. Le pôle Nord magnétique (qui cor-respond au pôle Sud de l’aimant que cons-titue la planète) est celui sur lequel s’ali-gne l’aiguille des boussoles.Le champ magnétique terrestre est unchamp relativement faible, de l’ordre de0,5 gauss, soit 5·10-5 tesla (valeur à Paris,par exemple). Il est créé par l’effet dynamoengendré par les mouvements du noyaude la planète. Le pôle Nord magnétique sedéplace d’une centaine de kilomètres paran. Même si l’intensité du dipôle n’est pastrès forte, les lignes du champ dipolaireforment un écran vis-à-vis de toute par-ticule chargée et mettent les Terriens àl’abri des rayonnements cosmiques.Comme d’autres planètes du systèmesolaire (Mercure, Jupiter, Saturne, Uranus

et Neptune), la Terre possède ainsi unemagnétosphère qui protège sa surface duvent solaire mais ce dernier déforme leslignes de son champ magnétique. Le champ magnétique terrestre est loind’être uniforme. Il présente des anoma-lies magnétiques, déviations de la force duchamp constatées par rapport au modèleglobal, qui peuvent être importantes àl’échelle de toute une région. C’est le casde l’anomalie de l’Atlantique Sud, qui n’estpas sans conséquence sur la dose derayons cosmiques reçue par les équipa-ges et les passagers des avions et des vais-seaux spatiaux qui la traversent. D’autres composantes plus faibles duchamp magnétique terrestre, dites nondipolaires, se superposent au dipôle prin-cipal et ont des constantes de temps beau-coup plus courtes que celles du dipôle ;elles n’ont pas d’effet significatif au-delàde la surface terrestre. Au cours des temps géologiques, le champmagnétique de la Terre a subi de fortesfluctuations, vécu des périodes d’instabi-lité importantes dont aucune n’est vérita-blement périodique, et connu plusieursinversions de ses pôles magnétiques. Entémoignent les empilements de couléesde lave ou les séquences sédimentairesqui s’accumulent au fond des océans. Cesdeux types de roches ont, en effet, la capa-cité de rester magnétisées dans la direc-tion du champ magnétique existant lors deleur refroidissement à la température deCurie (point de Curie), un peu en dessousde 500 °C, et donc de garder la mémoiredu champ magnétique régnant à la sur-face du Globe pendant ce refroidissement(ou pendant leur dépôt via les petits grainsmagnétiques qui les composent). C’est lephénomène de rémanence magnétiquequi a permis le développement du paléo-magnétisme. La direction du champ réma-nent, qui peut être complètement diffé-rente de la direction du champ local actuel,est caractéristique du champ local lors dela formation de la roche. Les roches vol-caniques, après avoir traversé l’écorce ter-restre à une température supérieure aupoint de Curie des minéraux qui les com-posent, se refroidissent et s’aimantent sousl’effet du champ terrestre au passage dece point dans le sens inverse. Moins sen-sibles au phénomène, les roches sédi-mentaires voient les particules magné-tiques s’orienter dans la direction du champterrestre lors de la sédimentation et conser-

ver cette orientation. Les sédiments qui sedéposent dans les fonds océaniquescontiennent des minéraux magnétiquesdont le plus facile à détecter est la célèbremagnétite. Cette aimantation est propor-tionnelle à l’intensité du champ et n’évo-lue pas à la température ordinaire. Maisd’autres facteurs influent sur l’aimanta-tion rémanente : l’action continuelle duchamp terrestre, les champs intensesponctuels (dus par exemple à la foudre) etla cristallisation qui peut en modifier l’in-tensité ou la direction.

Renversements et excursions du champLe champ magnétique terrestre connaîtdeux types d’instabilités, les renversementset les excursions. Les renversements cor-respondent à des inversions des pôles Sudet Nord magnétiques, dont la plus récentea eu lieu il y a environ 790000 ans. Ce typed’inversions a été mis en évidence pour lapremière fois en 1906 en France parBernard Bruhnes, mais il a fallu attendreles années 1960 pour que les études semultiplient et établissent que ces phéno-mènes d’inversion sont vraiment unecaractéristique globale du champ magné-tique terrestre. Elles ont surtout montréqu’ils se produisaient de façon erratiqueet imprédictible, avec une alternance de polarité stable pendant de longues pério-des (plusieurs centaines de milliers d’an-nées) et de renversements rapides(quelques milliers d’années) et que le tauxde renversement avait augmenté au coursde la dernière centaine de millions d’an-nées, passant de un, au début de cettepériode, à quatre renversements par milliond’années pendant les cinq derniers millionsd’années, la période “normale” actuellesemblant donc “anormalement” longue.Les excursions géomagnétiques sont des instabilités de plus courte durée. Si, comme pour les inversions, la polarités’inverse complètement, la polarité initialese rétablit aussitôt. Les études menées au Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/CEA-CNRS-université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines) ont montré que la durée d’uneexcursion est de l’ordre de 1500 ans, appor-tant une première vérification de la théoriedu géophysicien anglais David Gubbins selonlaquelle les excursions ne se produisent quedans le noyau externe fluide de la Terre etnon pas dans le noyau solide.

Le champ terrestre, faible mais vitalDMÉMO

NM

SMSG

NG

SN

Le magnétisme trouve essentiellementson origine dans les propriétés des

électrons telles qu’elles sont expliquéespar la physique quantique. Leur état quan-tique de spin est responsable d’une pre-mière partie du magnétisme (magnétismede spin). Une deuxième partie est imputa-ble au mouvement orbital des électronsautour du noyau de l’atome (magnétismeorbital) et également au magnétisme dunoyau lui-même (magnétisme nucléaire),notamment mis à profit dans les techniquesd’imagerie médicale par résonance magné-tique nucléaire. Le magnétisme est doncproduit par des charges électriques enmouvement. La force agissant sur ces char-ges, dite force de Lorentz, traduit la pré-sence d’un champ magnétique.L’électron possède un moment magné-tique élémentaire (le quantum magnétiqueétant le magnéton imaginé par Bohr) quipeut être associé à l’image de son mouve-ment de rotation du spin sur lui-mêmedans un sens ou dans l’autre, orienté versle haut ou vers le bas. Le nombre quantiquede spin (un des quatre nombres qui “quan-tifient” les propriétés de l’électron) est égalà 1/2 (+ 1/2 ou - 1/2). Une paire d’électronsne peut occuper la même orbitale que sil’un et l’autre sont de moments magné-tiques opposés. Chaque atome peut être assimilé à un petitaimant porteur d’un moment magnétiqueélémentaire. Le spin du noyau (neutron etprotonont eux-mêmes un spin demi-entier)est demi-entier si le nombre de masse estimpair ; nul si le nombre de masse et lacharge sont pairs, et entier si le nombrede masse est pair et la charge impaire.De nombreux moments magnétiques peu-vent, à une échelle plus importante, cons-tituer des domaines magnétiques danslesquels tous ces moments sont orientés

dans la même direction. Ces régions del’espace sont séparées entre elles par desparois. Rassemblés, ces domaines peu-vent eux-mêmes constituer un aimant àl’échelle macroscopique (figure E1).De l’organisation de ces constituants élé-mentaires dépend la manifestation de dif-férents types de magnétisme, associés tra-ditionnellement à trois grandes famillesde matériaux: ferromagnétiques, parama-gnétiques et diamagnétiques. Tous les matériaux qui ne sont pas dia-magnétiques sont par définition parama-gnétiques, dans la mesure où leur sus-ceptibilité magnétique est positive, maiscette susceptibilité est particulièrementélevée dans les ferromagnétiques, qui cons-tituent donc en eux-mêmes une famille.1. Les matériaux ferromagnétiques sontconstitués de petits domaines à l’intérieurdesquels les atomes, présentant uneaimantation parallèle, tendent à s’alignercomme autant de dipôles élémentairesdans la direction d’un champ magnétiqueextérieur. Les moments magnétiques dechaque atome peuvent s’aligner sponta-nément dans ces domaines, même en l’ab-sence de champ extérieur. En présenced’un tel champ, les parois se déplacent ettendent à renforcer le champ appliqué. Sicelui-ci dépasse une certaine valeur, leprincipal domaine orienté dans la direc-tion du champ tendra à occuper tout levolume du matériau. Si le champ diminue,les parois se déplacent, mais pas de façonsymétrique, une partie du mouvement“aller” des parois étant irréversible: il sub-siste donc une magnétisation rémanente,importante dans les aimants proprementdits ou la magnétite naturelle. L’ensemble du processus constitue un cycled’hystérésis, la relation du champ induitau champ extérieur dessinant une boucle

ou courbe d’hystérésis dont la surface repré-sente l’énergie perdue dans la partie irré-versible de ce processus (figure E2). Pourannuler le champ induit, il faut appliquerun champ coercitif: les matériaux avec les-quels les aimants permanents artificielssont réalisés présentent une valeur élevéede champ coercitif. En général, le moment magnétique totaldes matériaux ferromagnétiques est nul,les différents domaines ayant des orien-tations différentes. Le ferromagnétismedisparaît si on dépasse une certaine tem-pérature appelée point de Curie.Le couplage collectif des spins entre cen-tres métalliques du matériau ou d’un com-plexe de métaux de transition explique lespropriétés magnétiques du matériau, lesmoments de tous les spins se trouvant tousorientés de manière identique. Les matériaux dont les atomes sont éloi-gnés les uns des autres dans leur structurecristalline favorisent un alignement de cesaimants élémentaires par couplage. Le fer,mais aussi le cobalt, le nickel et leurs allia-ges, en particulier les aciers, et certains deleurs composés appartiennent à cette caté-gorie caractérisée par une susceptibilitémagnétique positive et très élevée, ainsi que,

Les différentes formes de magnétismeAMÉMO

Figure E2. L’induction B d’un matériau magnétique par une bobine n’est pas proportionnelle à l’excitation magnétique (champ H). Si la première aimantation dessine une courbe de type OsS en bleu sur la figure,elle manifeste à partir de s une saturation.L’induction n’est conservée qu’en partie si le champ tend vers zéro ; cette inductionrémanente ne peut être annulée que par une inversion du champ magnétique jusqu’àune valeur de champ “coercitif”. Le cycled’hystérésis traduit des pertes “par frottement”entre les domaines magnétiques. Ces pertessont représentées par la surface que délimitentles courbes d’aimantation et de désaimantation.

Figure E1.Les moments magnétiques élémentaires sont de même sens dans les substancesferromagnétiques (a), de sens opposés mais de somme nulle dans les antiferromagnétiques (b) et de sens opposé et de grandeur différente dans les ferrimagnétiques (c).

a b c

B

O

S

H

S’

s

+BR

-BR

-HS -HC

+HC +HS

plus faiblement, certains métaux de la familledes terres rares, quelques alliages dont lesmailles sont grandes et certaines combinai-sons d’éléments n’appartenant pas eux-mêmes à cette famille.Dans les matériaux ferrimagnétiques, lesdomaines magnétiques constituent desensembles pouvant être alignés dans dessens opposés (anti-parallèles), mais leurmoment magnétique résultant diffère dezéro alors que le champ extérieur est nul(exemples de la magnétite, de l’ilménite oudes oxydes de fer). Le ferrimagnétisme s’ob-serve dans des matériaux comportant deuxtypes d’atomes se comportant comme desaimants de force différente et orientés ensens contraire. Si la somme des momentsparallèles et anti-parallèles est nulle, il s’a-git d’anti-ferromagnétisme (exemple duchrome ou de l’hématite). En effet, si les ato-mes sont plus rapprochés, la disposition laplus stable est celle d’aimants antiparallè-les, chacun compensant en quelque sorteson voisin (figure E1). 2. Les matériaux paramagnétiques pré-sentent un comportement de même natureque les ferromagnétiques, bien que beau-coup moins intense (leur susceptibilitémagnétique est positive mais très faible, del’ordre de 10- 3). Chaque atome d’un tel maté-riau a un moment magnétique non-nul. Sousl’action d’un champ extérieur, les momentsmagnétiques s’orientent et augmentent cechamp, qui décroît cependant avec la tem-pérature, l’agitation thermique désorientantles dipôles élémentaires. Les matériauxparamagnétiques perdent leur aimantationdès qu’ils ne sont plus soumis au champmagnétique. La plupart des métaux, y com-pris des alliages d’éléments ferromagné-tiques, font partie de cette famille, ainsi quedes minéraux comme la pegmatite. 3. Les matériaux diamagnétiques présen-

tent une susceptibilité magnétique néga-tive et extrêmement faible (de l’ordre de 10-5). La magnétisation induite par un champmagnétique s’opère dans la direction oppo-sée à ce dernier : ils ont donc tendance às’éloigner le long de ses lignes de champvers les zones de faible champ. Un diama-gnétique parfait offrirait une résistancemaximale au passage du champ magné-tique et présenterait une perméabilité nulle.Les métaux comme l’argent, l’or, le cuivre,le mercure ou le plomb, le quartz, le gra-phite, les gaz rares ainsi qu’une grandemajorité des composés organiques se ran-gent dans cette catégorie.En fait, tous les corps présentent peu ouprou ce phénomène de diamagnétisme,imputable à la déformation des orbitalesélectroniques des atomes sous l’action d’unchamp extérieur, phénomène réversibleavec la disparation du champ extérieur.Comme Michael Faraday l’a montré en sontemps, toute substance est donc plus oumoins “magnétisable” pour autant qu’ellesoit placée dans un champ magnétique suf-fisamment intense.

L’électromagnétismeC’est le Danois Hans Christian Ørsted, pro-fesseur à l’Université de Copenhague qui, lepremier, a fait autour de1820 le lien entreles deux domaines jusqu’alors complète-ment séparés de l’électricité et du magné-tisme. Il a mis en évidence la déviation del’aiguille d’une boussole à proximité d’un filparcouru par un courant électrique, avantque Faraday n’énonce la loi qui porte sonnom: le champ magnétique produit est d’au-tant plus fort que l’intensité du courant estimportante. La discipline qui étudie leschamps magnétiques statiques (ne dépen-dant pas du temps) est la magnétostatique.Le champ magnétique forme, avec le champ

électrique, les deux composantes de l’électromagnétisme. Des ondes peuventse propager librement dans l’espace, etdans la plupart des matériaux, dans tousles domaines de longueur d’onde (ondesradio, micro-ondes, infrarouge, visible,ultraviolet, rayons X et rayons gamma). Leschamps électromagnétiques sont donc unecombinaison de champs de force élec-triques et magnétiques naturelle (le champmagnétique terrestre) ou non (de bassesfréquences comme les lignes et les câbla-ges électriques, ou de plus haute fréquencecomme les ondes radio (téléphone cellu-laire compris) ou de télévision.Mathématiquement, les lois de base del’électromagnétisme sont résumées dansles quatre équations de Maxwell (ou deMaxwell-Lorentz) qui permettent dedécrire l’ensemble des phénomènesélectro magnétiques de manière cohérente,de l’élec trostatique et la magnétostatiqueà la propagation des ondes. James ClerkMaxwell les a formulées en 1873, trente-deux ans avant qu’Albert Einstein ne placela théorie de l’électromagnétisme dans lecadre de la relativité restreinte, qui expli-quait ses incompatibilités avec les lois dela physique classique.

Stoi

ber

Pro

duct

ions

, Mün

chen

Arrivée à la gare routière de Long Yang, à Shanghai (Chine), d’un train à sustentation magnétique du type Transrapid, d’origine allemande, mis en service en 2004 pour relier la ville

à l’aéroport international de Pudong.

Vue de détail des aimants pour le guidage et la propulsion du train.