L’Histoire du laboratoire
Les champs intenses à Grenoble
A Strasbourg, Louis Néel (né en 1904) est connu internationalement pour son modèle d’ordre antiferromagnétique (1936) découlant de son travail de thèse (de 1928 à 1932) et sa contribution à la conférence internationale de Strasbourg de 1939. Réfugié à Grenoble de 1940 à 1945 il travaille sur le magnétisme et s’entoure de physiciens explorant d’autres domaines.
Fin 1945 il décide avec son équipe de s’installer à Grenoble (au lieu de retourner à Strasbourg) et il crée le laboratoire du CNRS, associé à l’université de Grenoble, le LEPM, Laboratoire d’Electrostatique et de Physique du Métal, qui va regrouper des équipements d’électrostatique (Noël Félici, Roger Morel) de basses températures (Louis Weil et Albert Lacaze), de champs magnétiques (L.Néel et René Pauthenet) et de chimie et cristallographie (Erwin Félix Bertaut) auxquels s’ajouteront la résonance magnétique nucléaire apportée par Michel Soutif.
Son ambition de créer un grand laboratoire de recherche en province, se concrétise par la venue d’un laboratoire du CEA à Grenoble pour la construction de réacteurs sources de neutrons (CENG 1956) et d’autres grands équipements : service de champs magnétiques intenses, source de neutrons (ILL 1970), Synchrotron (ESRF 1992)…
Louis Néel obtient le prix Nobel en 1970, et il se retire à Meudon en 1976, après le succès de ces réalisations.
Louis Néel et Louis Weil en 1954, Archives CNR
Le laboratoire Pauthenet
Les effets des « champs magnétiques », notamment dans le domaine de la physique et des applications, ont justifié des efforts technologiques importants : d’abord par l’utilisation d’électro-aimants et la réduction de leur entrefer pour des champs inférieurs à 2 T – 3 T, puis par l’utilisation de bobines conductrices (en cuivre) dans lesquelles un refroidissement efficace doit éliminer les pertes par effet Joule associées à l’augmentation du courant électrique produit par une génératrice.
Des champs continus de quelques tesla (René Pauthenet) et des champs pulsés atteignant 30 T (ou 10 fois plus en explosif !) sont ainsi disponibles à Grenoble dès 1960 (Maurice Guillot).
Les progrès dans le domaine des redresseurs secs (thyristors) permettent de concevoir une nouvelle installation (sans génératrice) qui est construite sous la direction de René Pauthenet par Jean-Claude Picoche et Pierre Rub dans un nouveau bâtiment.
Cette installation, devenue le « Service National des Champs Magnétiques Intenses » en 1970, est conçue pour accueillir une puissance de 10MW, mais la puissance de 5MW installée initialement permet déjà d’atteindre des champs magnétiques de 15 à 20T dans un diamètre de 50 mm, sur plusieurs sites**.**
Dès 1972, une collaboration est engagée entre le SNCI et le Max-Plank-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF) de Stuttgart (avec Dransweld). La puissance est portée à 10 MW en 1974, ce qui permet d’atteindre en 1982 des champs de 25T dans un diamètre de 50 mm, avec les premières polyhélices construites par Hans Schneider-Muntau. C’est dans les champs intenses de Grenoble que Klaus von Klitzing découvre l’effet Hall quantique entier dans la nuit du 4 au 5 février 1980, qui lui vaut le prix Nobel de physique en 1985.
Un projet de bobine hybride conçu dès 1975, est réalisé et il permet d’atteindre un record mondial de champs magnétiques avec 31,36 T dans un diamètre de 50 mm en 1987.
Cette première bobine hybride est constituée d’une bobine supraconductrice à l’extérieur fournissant 11T auxquels s’ajoutent 20,5 T fournis par une bobine résistive à l’intérieur. Elle est construite par une équipe franco-allemande (Jean Claude Vallier et Hans Schneider-Muntau).
K. v. Klitzing, cérémonie prix Nobel 1985
Premier aimant hybride 1987 – 31.36 T de 50 mm
En 1990-91, la puissance des installations électrique et hydraulique est doublée pour atteindre 24 MW. Le partenariat MPG – CNRS est marqué par la création d’un laboratoire commun : le GHMFL « Grenoble High Magnetic Field Laboratory » en 1992 qui fonctionne jusqu’à fin 2004.
Pour se maintenir au plus haut niveau international, le GHMFL commence la construction d’une nouvelle bobine hybride en 1997. La partie supraconductrice (de 8T) ne fonctionnant pas, sa construction est actuellement reprise sur de nouvelles bases techniques, pour atteindre 43 T.
René Pauthenet (1985)
Klaus Dransfeld (1972)
Guy Aubert
Gérard Martinez
Peter Wyder
Les progrès dans la conception des polyhélices (W. Joss et F. Debray) ont permis d’améliorer leurs performances jusqu’à un champ de 37 T disponibles dans un diamètre de 34 mm, (ou 31 T dans 50 mm) avec une puissance de 24 MW.
Dans le même temps l’homogénéité et la stabilité du champ ont été considérablement améliorées par utilisation de sondes RMN (Steffen Krämer).
En 2009, la création d’un laboratoire national des champs magnétiques Intenses (LNCMI) regroupe les efforts de Toulouse dans le domaine des champs pulsés et de Grenoble pour les champs magnétiques continus, sous la direction de Geert Rikken.
Depuis 2015, le LNCMI est membre du Laboratoire Européen de Champs Magnétiques (EMFL), avec les installations de champs pulsés à Dresde, et de champs DC à Nijmegen (HMFL).
Les champs pulsés à Toulouse
Durant la première décennie à partir de 1965, S. Askénazy réalise des bobines produisant un champ magnétique pulsé de longue durée et de valeur crête 40T. Il pilote également la construction du générateur de courant pulsé de la bobine avec le groupe de G. Giralt au L.A.A.S.
Il installe par ailleurs un service de cryogénie à l’Université Paul Sabatier. Durant cette période, l’équipe fondatrice des champs magnétiques intenses (S. Askénazy, J. Léotin, J-C. Portal et J-P. Ulmet) développe au LPS l’instrumentation, l’électronique et la cryogénie pour les premières mesures de magnéto-transport quantique et de résonance cyclotron dans des semiconducteurs, et, dès l’origine, fonctionne en collaboration étroite avec les équipes du Pr. J. Bok à l’ENSup, du Pr. R.A. Stradling au Clarendon Laboratory (Oxford), du Pr. P.R. Wallace à l’Université de McGill (Montréal). Le champ pulsé de Toulouse a la particularité de présenter une longue durée et des vibrations négligeables permettant des mesures de grande précision.
Dans ce but, S. Askénazy a fait le choix original de bobines compactes en fil de cuivre renforcées par une frette métallique externe. La première génération de bobines est alimentée par un banc de condensateurs de 100 kJ, 3kV, dont la décharge est réalisée à l’aide d’un interrupteur à ignitrons inséré dans un circuit crow bar à diodes de puissance.
Les pioniers
En 1975, le CNRS crée le Service National des Champs Magnétiques Pulsés (SNCMP) sur le site de l’Institut National des Sciences Appliquées (INSA). Sous la direction de S. Askénazy, une équipe de techniciens et de chercheurs planifie la construction d’un nouveau bâtiment, et d’un nouveau générateur ainsi qu’une nouvelle génération de bobines et de cryostats.
Le générateur est basé sur un banc de condensateurs de 1,25 MJ, 10kV et sur un interrupteur à piston immergé dans le mercure conçu et réalisé pour ce nouveau banc.
En 1980, un nouvel interrupteur à thyristors commandés par fibre optique est conçu et mis en service au laboratoire. Cet interrupteur ouvre la voie technologique des futurs générateurs dans le monde, en particulier celui du générateur actuel de 14 MJ et 24 kV. L’étape suivante est marquée en 1987 par le développement de bobines en fils de cuivre renforcés au NbTi produisant un champ de 61 T pendant 0,1s.
L’équipe des chercheurs associés au SNCMP s’étoffe et développe de nouveaux axes de recherche sur le magnétisme, la supraconductivité et les conducteurs organiques. Elle met alors en place la cryogénie à dilution en champ pulsé. Elle amplifie l’accueil des visiteurs, et de très nombreuses collaborations sont établies, tant sur le plan national qu’international, permettant aux chercheurs une intense production de publications.
En 1990, S. Askénazy propose l’extension du SNCMP sous la tutelle du CNRS, de l’UPS et de l’INSA et projette également la construction du bâtiment actuel du LNCMI. Le but visé est d’initier un service européen de champ magnétique pulsé basé sur un générateur 14 MJ, 24 kV et des bobines produisant un champ pulsé de durée 1 seconde et de valeur crête 60T.
Dans cette optique, le SNCMP construit des équipements de champ pulsé de 30 T et de durée 1 seconde, à Porto, Saragosse et à Mérida (Vénézuéla). Alors s’engage une opération lourde au financement réduit avec la construction du bâtiment, la réalisation intra-muros du générateur 14 MJ ainsi que la mise en place d’un atelier de R&D sur la production de fils de cuivre composites à haute tenue mécanique et faible résistivité.
Durant cette décennie, le SNCMP prend une part active dans les travaux du consortium européen « Design studies for 100 T magnet ». Dans ce groupe, il promeut le concept de bobines gigognes « coilin-coilex » alimentées par des générateurs distincts synchronisés (voir aussi cet article). Ce concept est partout mis en œuvre aujourd’hui pour la production non destructive de champ magnétique atteignant 100T.
En l’an 2000, le Laboratoire National de Champs magnétiques Pulsés (LNCMP) est créé et devient une Unité Mixte de Recherche du CNRS associée à l’INSA et l’UPS avec l’aide de Dominique Givord.
Sous la direction de G. Rikken, le LNCMP prend son essor et fusionne en 2009 avec le Laboratoire de Champs Magnétiques Intenses de Grenoble (LCMI) pour former le LNCMI, unité Propre de Recherche du CNRS (UPR 3228) conventionnée avec l’Université Joseph Fourier de Grenoble, l’ Institut National des Sciences Appliquées et l’Université Paul Sabatier de Toulouse.
Jean Galibert, Jean Léotin , R. J. Nicholas
Historique LNCMI 2009-aujourd’hui
La tendance à l’augmentation des champs magnétiques, tant continus que pulsés, a nécessité des efforts toujours plus importants en termes de budget et de ressources humaines. Cela a conduit à une concentration des installations de champs magnétiques intenses dans le monde entier dans de nouvelles structures plus grandes, et à la fermeture d’installations de petite taille. En Europe, cela s’est traduit par une modernisation majeure de l’installation DC de Nimegue et par la création de l’installation de Dresde pour les champs pulsés. Afin de maintenir la compétitivité de ses installations de champ intense, le CNRS a décidé de fusionner en 2009 l’installation de champ pulsé de Toulouse et l’installation de champ continu de Grenoble en une installation d’utilisateur de champ intense sur deux sites, le LNCMI, sous la direction de G. Rikken (2009-2020, photo de gauche), puis sous celle de C. Simon (2020-2025, photo de droite), et de moderniser ses installations.
À Grenoble, un projet de construction d’un nouvel aimant hybride de 43 T a été repris en 2011 et achevé en 2024, et un programme d’amélioration en plusieurs phases de l’alimentation électrique de l’aimant à 30 MW, ainsi qu’une nouvelle ligne électrique haute tension dédiée de 100 MW, a été lancé en 2014 et achevé en 2024. À Toulouse, un nouveau hall d’aimants (2013) et plusieurs mises à niveau des bancs de condensateurs qui alimentent les aimants pulsés (2016) ont été financés. Ces investissements ont permis au LNCMI de se doter d’installations de pointe et d’atteindre des champs magnétiques record : des champs magnétiques continus jusqu’à 38 T, des champs pulsés jusqu’à 98,7 T et des champs semi-destructifs jusqu’à 208 T permettent de réaliser des expériences de pointe et placent le LNCMI parmi les principales installations de champs magnétiques intenses au niveau mondial.
Cependant, les installations européennes nouvelles/améliorées n’étaient pas encore au niveau de l’installation multisite des champs magnétiques intenses des États-Unis et des projets très ambitieux qui étaient lancés en Chine. Encouragés par le soutien financier des programmes-cadres européens pour les infrastructures de recherche et conscients que leur synergie les rendrait plus forts, les quatre sites européens de champ magnétique intenses de Dresde, Grenoble, Nimègue et Toulouse ont intensifié leur collaboration et lancé plusieurs projets communs, ce qui a abouti à la création d’une structure juridique coordonnant leurs activités combinées, le Laboratoire européen de champ magnétique (2015), qui a été qualifié d’installation européenne emblématique et agit aujourd’hui comme l’installation européenne de champ magnétique intenses de facto.