altermagnétisme

Un orchestre gelé où les musiciens changent de place quand le chef d'orchestre, le magnétisme, donne une nouvelle partition. Dans un cristal de spinelle, les atomes de fer et de magnésium occupent deux types de sièges : les uns sont entourés de quatre voisins, les autres de six.

Dans certains cristaux, les électrons ne sont pas répartis uniformément, mais s'organisent en un strict damier : sur une case, il y a plus d'électrons, sur la case voisine, moins. Ce motif est appelé ordre de charge, et on l'a longtemps considéré comme quelque chose de figé, un peu comme les motifs sur une vitre givrée.

Sur une route étroite, deux caravanes avancent l'une vers l'autre. L'une, large et lente, transporte une cargaison de densité. L'autre, une file de chariots légers chargés de courant, se faufile entre les premiers. Ainsi, dans la décharge d'un magnétron coexistent deux structures qui tournent en sens opposés : la raie de densité et les filaments de courant.

Dans une fine couche de cristal liquide, les molécules sont généralement disposées comme des allumettes dans une boîte : alignées dans une même direction, mais de manière désordonnée — certaines pointent vers le haut, d'autres vers le bas. Pour que toutes les allumettes pointent dans le même sens, il faut une architecture moléculaire particulière.

Dans un film mince de cobalt et de fer déposé sur un substrat de silicium, un minuscule tourbillon magnétique se forme. Il ne se disperse pas, mais reste en place, comme une goutte d'huile sur une poêle chaude. Mais au lieu de la chaleur, c'est un courant électrique qui le maintient, envoyé à travers un étroit passage large d'une centaine d'atomes.

Le champ magnétique terrestre n'est pas constant : il tremble sous l'effet du vent solaire, des orages lointains, du métro. Pour remarquer ces tremblements, il faut un instrument qui ne tremble pas lui-même. Des physiciens ont assemblé un tel instrument à partir d'atomes d'ytterbium refroidis presque au zéro absolu.

Une autoroute où les flux opposés sont séparés non seulement par des côtés différents, mais par deux routes indépendantes — chacune avec sa propre entrée et sortie. C'est un peu ce qui se passe avec les électrons dans un nouveau type d'isolant topologique décrit par les auteurs de l'étude.

Le cristal Mn₂Mo₃O₈ ressemble à une minuscule ville où les atomes de manganèse sont alignés dans un ordre strict : leurs moments magnétiques (petites flèches internes) pointent alternativement vers le haut et vers le bas. Cet état est appelé altermagnétisme colinéaire.

Les motifs moirés sont familiers à tout le monde. Deux peignes aux dents d'écartement différent, superposés, montrent des zones sombres. Quelque chose de semblable s'est manifesté dans le temps. Des physiciens ont pris un nuage d'atomes de Rydberg – des particules aux orbites électroniques inhabituellement grandes – et l'ont éclairé avec deux lasers.

En 2022, des physiciens ont décrit un nouveau type de magnétisme : l'altermagnétisme. Dans celui-ci, les électrons ayant des directions de spin différentes se séparent en énergie selon leur direction de mouvement, comme des coureurs qui accélèrent sur une piste et ralentissent sur une autre. Mais le spin n'est pas le seul degré de liberté des particules.

Un parquet où chaque deuxième lame est posée dans le sens inverse semble symétrique. Mais si on passe la main, dans un sens les doigts glissent sur les fibres, dans l'autre ils accrochent. C'est à peu près ainsi que fonctionne un nouveau type de magnétisme étudié dans le cristal AgCrP2S6. Dans ce matériau stratifié, les atomes de chrome sont alignés en longues chaînes, comme des fils de perles.

Une corde de guitare continue de vibrer même après que le musicien l'a relâchée — et cette vibration modifie le son que perçoit l'auditeur.

Les qubits supraconducteurs sont le cœur battant des ordinateurs quantiques, mais leur rythme est perturbé par la décohérence : la quantique se dissout dans le bruit.

Dans la grande symphonie de l'électromagnétisme, un duo a longtemps régné : le ferromagnétisme tonitruant et l'antiferromagnétisme silencieux, où les spins solistes s'annulent mutuellement. Mais récemment, une troisième voix a rejoint l'ensemble : l'altermagnétisme.

Le monde du magnétisme a longtemps été dominé par une dichotomie simple : les ferromagnétiques, où les spins pointent dans une même direction, et les antiferromagnétiques, où ils s'alignent en damier, se compensant mutuellement.

À l'intérieur d'un cristal se déroule un ballet invisible : les moments magnétiques des atomes, tels des danseurs, tantôt s'alignent à l'unisson, tantôt se dispersent en opposition de phase. La chorégraphie est dictée par l'échange quantique — une musique sensible à la géométrie des liaisons.

Une fine pellicule magnétique ressemble à un rang de soldats de plomb munis de minuscules aiguilles aimantées. Dans un monde plat, les secousses thermiques ne tardent pas à rompre ce rang : le moindre échauffement détruit l'ordre. C'est ce qu'énonce l'interdiction de Mermin–Wagner : en deux dimensions, une symétrie continue ne survit pas à température finie.

Dans certains cristaux, les moments magnétiques des atomes oscillent de manière coordonnée, comme une vague dans un stade. Elle transporte le spin sans courant de charges, sans chauffer le matériau. Ce flux évoque une rivière invisible, silencieuse et froide.

Les géantes rouges sont des étoiles vieillissantes qui ont gonflé. Dans leurs entrailles bouillonne un océan de plasma : la chaleur remonte du noyau vers la surface, engendrant des vagues semblables à un puissant ressac.

On fait passer un courant à travers un ressort de molécules organiques — et à la sortie, presque tous les électrons tournent dans le même sens. Ce tour de passe-passe s'appelle la sélectivité de spin chirale, et il a longtemps laissé les physiciens perplexes.

Deux équipes tirent sur une corde avec la même force dans des directions opposées — la corde ne bouge pas, la force totale est nulle. C'est le comportement de nombreux antiferromagnétiques : les moments magnétiques des atomes sont alignés en sens inverse et s'annulent mutuellement.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est si fortement comprimée que les noyaux atomiques s'agglutinent en longs filaments et en feuilles plates. Les astrophysiciens appellent ces structures des pâtes nucléaires. À leur surface, la densité de la matière chute presque à zéro — comme si vous surgissiez d'une gelée épaisse dans un air raréfié.

Un traducteur travaille dans deux mondes à la fois : pour un observateur extérieur, il est silencieux et discret, mais à l'intérieur de son esprit, une activité intense bouillonne, avec des lignes de sens bien nettes. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les altermagnets — une classe de matériaux magnétiques découverte récemment.

Chaque électron est un minuscule aimant. Dans une couche de chlorure de fer d'un atome d'épaisseur, ils s'orientent tous dans la même direction, comme des danseurs dans un numéro parfaitement synchronisé. D'habitude, la nature évite un tel ordre (c'est ce qu'on appelle la haute entropie), mais les forces quantiques les contraignent à obéir.

La piste de danse est pleine de couples qui tournoient en valse. Habituellement, les partenaires se déplacent dans des directions opposées : l'un fait un pas en avant, l'autre en arrière, pour garder le rythme commun.

Une casserole d'eau sur la cuisinière : plus le feu est vif, plus vite la glace devient de l'eau, et l'eau de la vapeur. La chaleur détruit l'ordre. Mais parfois, la nature nous joue un tour : sous l'effet de la chaleur, un liquide se fige, comme une flaque par grand froid.

Le cristal La3Ni2O7 ressemble à un gâteau en couches, où la garniture d'atomes de nickel et d'oxygène alterne avec des couches de lanthane.

Dans un morceau d'aimant ordinaire, tous les spins électroniques — ces minuscules aiguilles magnétiques — pointent dans la même direction. C'est un rang de soldats tournés vers leur commandant. Cet ordre est appelé antiferromagnétique colinéaire.

Une file de personnes qui se tiennent par la main mais regardent dans des directions opposées : certaines vers le nord, d'autres vers le sud. C'est ainsi qu'est structuré un aimant à ondes p. Les électrons y alignent leurs moments magnétiques (spins) non pas de manière aléatoire, mais selon un motif ondulatoire strict.

Dans un cristal ordinaire, les atomes sont alignés en rangées régulières, comme des soldats sur un terrain de parade. Toute déviation de cet alignement est généralement considérée comme nuisible : le désordre disperse les ondes et éteint rapidement les mouvements collectifs des particules.

Un cristal, c'est comme une ville : si les rues sont tortueuses, la circulation s'embourbe. Dans un cristal, les rangées d'atomes jouent le rôle des rues, et la circulation, c'est le flux d'électrons. La moindre irrégularité, impureté ou déplacement d'atome fait dévier les électrons.

À l'intérieur d'un supraconducteur, le champ magnétique s'enroule généralement en tubes – des vortex, chacun portant un quantum de flux magnétique. C'est ainsi qu'est constitué le réseau classique d'Abrikosov. Mais dans les cristaux de LiFeAs, le tableau est différent.

Dans un minuscule aimant, l'information n'est pas écrite dans la direction de la flèche, mais dans la façon dont les directions de ses atomes s'alternent. Dans les antiferromagnétiques, ces flèches se compensent mutuellement, si bien que le matériau semble non magnétique de l'extérieur.

Dans le cristal Rb1-xV2Te2O, les spins des atomes de vanadium s'alignent en damier : chaque spin est entouré de spins opposés. Ce motif est appelé antiferromagnétisme de type G.

Les alvéoles des abeilles sont construites à partir de cellules identiques, mais il suffit de modifier légèrement la forme de l'une d'elles pour que toute la structure acquière de nouvelles propriétés. C'est à peu près ce qu'ont fait les chercheurs en créant un aimant sans un seul atome de métal.

Un réseau triangulaire dont les nœuds sont occupés par de minuscules aiguilles magnétiques. Sur ce réseau se déplacent des électrons, porteurs de courant. En général, les aiguilles s'alignent simplement : toutes dans la même direction (ferromagnétique) ou en alternance dans le plan.

La piste de danse est remplie de gens qui bougent chacun pour soi. Soudain, une partie d'entre eux se met en couples – ils tournoient, sans presque remarquer les voisins, tandis que les autres s'alignent en chaînes.

Un aimant ordinaire sur un réfrigérateur attire le fer parce qu'à l'intérieur, toutes les minuscules aiguilles magnétiques sont alignées dans la même direction. Mais il existe des matériaux où les aiguilles s'alignent de manière plus subtile : les rangées voisines pointent dans des directions opposées, et de l'extérieur, on dirait qu'il n'y a pas de magnétisme.

La collision de particules à très grande vitesse produit une pluie de nouvelles particules. Parmi elles, les antiprotons, jumeaux des protons ordinaires, mais avec une charge opposée. Chaque particule possède une rotation propre, comme une balle de tennis envoyée avec un effet. Mais personne n'a encore vérifié si les antiprotons naissent avec une rotation.

Un cristal sans centre de symétrie ressemble à une pièce dont les murs seraient en miroir d'un côté et en verre dépoli de l'autre : le reflet ne correspond pas à l'original. De tels matériaux se comportent souvent de manière inhabituelle, car les électrons y ressentent la distorsion du réseau.