Zones plates : le magnétisme sans mouvement express
Un service postal dont les coursiers s'arrêtent soudainement. On pourrait croire que les lettres ne parviennent plus à destination et que le lien entre les villes est rompu. Mais que se passerait-il si les enveloppes elles-mêmes acquéraient la capacité de changer de forme et de transmettre les messages à travers une toile commune, sans bouger ? C'est précisément ce mécanisme inattendu que les physiciens ont découvert dans le monde des matériaux quantiques.
Dans les métaux ordinaires, les moments magnétiques des atomes communiquent par l'intermédiaire des électrons de conduction mobiles — un peu comme un échange de lettres confié à des coursiers rapides. Cette interaction est appelée interaction RKKY. Mais dans certains cristaux, les électrons se retrouvent dans ce qu'on appelle des zones plates, où leur vitesse de groupe (la vitesse de déplacement de l'électron en tant que particule) chute presque à zéro. Les coursiers sont figés. La logique voudrait que la liaison magnétique disparaisse. Pourtant, la nature a trouvé une faille.
Il s'avère que, dans les zones plates, c'est la métrique quantique qui prend le relais — une grandeur qui mesure la « distance » entre les états quantiques des électrons dans la zone de Brillouin (l'ensemble de toutes les impulsions possibles). C'est elle qui détermine jusqu'où s'étend l'ordre magnétique et à quel point il est rigide. Plus la valeur de la métrique quantique est grande, plus l'interaction magnétique est forte et plus la température à laquelle le matériau peut devenir aimant est élevée. Cet effet est particulièrement marqué dans les petits échantillons, où les limitations habituelles du magnétisme ne s'appliquent plus.
Ainsi, l'immobilité se transforme en un nouveau type de liaison. Les coursiers sont à l'arrêt, mais les lettres arrivent — grâce à la géométrie même du tissu dont est fait le cristal.
La métrique quantique n'est pas un concept abstrait. On peut la mesurer expérimentalement en observant comment les électrons du cristal réagissent aux champs externes, et elle est étroitement liée à la géométrie réelle des orbitales électroniques.
Dans le roman de Greg Egan « La Cité des permutants », on décrit un univers où les lois de la physique sont si fortement déterminées par la géométrie de l'espace-temps que la causalité habituelle disparaît — un peu comme ici le magnétisme est déterminé non par le mouvement, mais par la pure géométrie des états quantiques.