effet Hall anormal

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 un métal ordinaire, le courant circule comme une foule dans une rue droite : chaque électron est indépendant, et si l'on applique un champ magnétique, toute la foule se déplace légèrement sur le côté. Ce déplacement s'appelle l'effet Hall.

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.

Un laser frappe un atome et en arrache un électron. Plus la lumière est intense, plus le coup est fort, et l'électron s'éloigne plus vite. C'est ainsi que fonctionne l'image habituelle, où la lumière est une onde régulière.

Le champ magnétique agit généralement comme un agent de circulation strict : pour que la chaleur se transforme en électricité, il doit se placer en travers de la route. Si le champ est aligné avec le flux de chaleur, l'effet disparaît – c'est ce que l'on croyait depuis des décennies.

Un vortex dans un matériau magnétique, c'est comme un tourbillon, mais au lieu de l'eau, ce sont les directions d'aimantation qui tournoient.

Une bouilloire qui bout sur la cuisinière finit par s'évaporer complètement — de même, selon les idées classiques, un trou noir devrait peu à peu disparaître dans un sifflement de rayonnement. Mais que se passerait-il si l'on ajoutait un ingrédient spécial à la bouilloire ?

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.

Un faisceau laser ressemble à un tourbillon rapide qui capture un instant un électron qui passe. Pendant que la particule traverse l'impulsion, son spin (la rotation propre, comme celle d'une petite toupie) subit une faible poussée.

Un courant électrique ordinaire chauffe les fils – tout le monde le sait, pour avoir touché un chargeur de téléphone. Mais il existe un courant d'une autre sorte : les électrons n'y courent pas en foule dans une même direction, mais tournent de manière synchronisée, comme des patineurs en couple.

Une paire de trous noirs tourne dans une danse, se rapprochant progressivement. Ils perdent de l'énergie et de la rotation — ce processus est appelé émission de moment cinétique. Dans la théorie standard d'Einstein, seules les ondes gravitationnelles emportent le moment.

Un mince sandwich de deux matériaux différents. On y fait passer un courant électrique – et la couche supérieure s'aimante dans un sens, la couche inférieure dans le sens opposé. Ce n'est pas un tour de magie, mais l'effet Edelstein de couche (de l'anglais layer Edelstein effect), que des physiciens viennent de décrire.

L'agonie d'un trou noir solitaire dure une éternité. Mais dans les derniers instants, lorsque la masse s'évapore selon la loi découverte par Stephen Hawking, elle a le temps d'envoyer un signal d'adieu radio.

En 1915, Albert Einstein et Wander Johannes de Haas ont montré que lorsqu'on aimante une barre de fer, celle-ci tourne légèrement — le moment angulaire des électrons est transmis au réseau cristallin.

La fusion de trous noirs n'est pas un choc silencieux. Le trou noir né de la fusion tremble et s'amortit, émettant des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace lui-même.

Dans le monde des matériaux bidimensionnels naissent parfois des états aussi étranges que fragiles. L'un d'eux, le cristal de Hall anormal fractionnaire (FAHC), est tel un centaure quantique : à moitié réseau ordonné, à moitié liquide topologique.

Un fluide superfluide s'écoule sans frottement, comme une eau qui ne s'arrête jamais. Mais si on le fait tourner, il ne se contente pas de tourner : chaque minuscule vortex se souvient de la manière exacte dont il a été mis en rotation.

Lorsque les physiciens font circuler des électrons dans un canal ultrapur d'arséniure de gallium à des températures hélium, ils s'attendent à voir un liquide docile, presque parfait.

Une mer qui imprègne tout l'espace reste invisible pour nous. Cette mer, c'est la matière noire, et les vagues à sa surface sont des particules appelées axions. Elles sont si légères et si insaisissables qu'elles traversent la Terre sans même la remarquer.

Un traducteur travaille dans une salle bruyante. Le bourdonnement des voix, le tintement des verres, des bribes de conversations étrangères — on pourrait croire qu'il doit constamment se tromper. Mais à la fin de la journée, ses notes correspondent parfaitement à celles qu'il aurait prises dans le silence de son bureau.

L'électron et le muon sont de minuscules aimants. Leur magnétisme est légèrement supérieur à deux (dans des unités spéciales), et cette « fraction excédentaire » (le moment magnétique anomal) naît de l'agitation constante du vide : des paires de particules apparaissent et disparaissent brièvement.

Deux aimants sur une table s'attirent ou se repoussent selon l'orientation de leurs pôles. À l'intérieur de chaque morceau se cachent de minuscules régions où toutes les flèches magnétiques pointent dans la même direction. Ces régions sont appelées domaines, et leur disposition détermine le comportement du matériau dans un circuit électrique.

Jetez un caillou dans un étang : des rides se propagent à la surface. Frappez une cloche : elle résonne à sa fréquence propre. Un trou noir, après une collision avec un autre trou noir, « sonne » lui aussi, mais au lieu d'un son, c'est l'espace lui-même qui tremble.

Si vous jetez une poignée de pièces sur une table, elles retombent en désordre. Mais dans certains cristaux, les atomes s'organisent en un motif rappelant un panier tressé — le réseau kagomé. Dans le métal MgMn₆Sn₆, ce sont les atomes de manganèse qui forment ce réseau, et à température ambiante, ils se comportent comme de minuscules aiguilles magnétiques.

Au cœur d'une galaxie active, là où le Milieu interstellaire s'enroule en un éblouissant disque d'accrétion autour d'un trou noir supermassif, naît une frontière que même le son ne peut franchir. Cet horizon acoustique a longtemps été considéré comme une ride figée à la surface de l'eau.

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.

La paume au-dessus d'une plaque chauffante sent la chaleur, même lorsque l'air autour semble frais. Quelque chose de similaire se produit avec les électrons dans l'effet Aharonov-Bohm : la particule ressent la tension électrique, même si elle entre dans une région où le champ est déjà éteint.

Dans une casserole de soupe bouillante, les courants bouillonnants transportent la chaleur vers les parois, et la soupe refroidit. Dans un tokamak — une immense bouteille magnétique pour le plasma — il se passe la même chose : les tourbillons de turbulence emportent l'énergie vers l'extérieur, empêchant d'allumer la réaction de fusion.

Une pierre tombe dans un étang — et des cercles se propagent à la surface. Mais si la pierre est très petite et que l'eau n'est pas tout à fait ordinaire, les cercles la traversent sans même la remarquer.

Un manège de lumière ne fait pas tourner des gens, mais des électrons. Au lieu de chevaux de bois, ce sont des pales invisibles de lumière. C'est exactement ce « manège » que des physiciens ont construit pour donner une rotation aux électrons. Habituellement, pour transformer un flux d'électrons en tourbillon, il faut un minuscule masque — un pochoir avec des fentes, gravé à l'échelle atomique.

Des couches de matériau mince, tournées l'une par rapport à l'autre, évoquent des grilles superposées. Aux intersections des lignes apparaît un nouveau motif : le moiré. Dans ce motif, les électrons se déplacent différemment que dans un cristal ordinaire et peuvent former des états inattendus.

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.

Un cristal semblable à une pile de crêpes a été déposé sur un substrat lisse en oxyde de magnésium. On a obtenu une pellicule épaisse de quelques centaines d'atomes. Lorsqu'on y a fait passer un courant et qu'on a activé un aimant, la résistance a augmenté de près d'un quart — de 22,5 % sous un champ de 9 teslas.

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.

Parmi les aimants, il existe de discrets maîtres de la métamorphose. Un aimant ordinaire attire les trombones et possède deux pôles – nord et sud. Mais il existe des matériaux qui, à l'intérieur, sont organisés comme un échiquier magnétique : leurs atomes sont alignés selon un ordre strict, mais à l'extérieur, le matériau se comporte de manière neutre, comme s'il n'y avait pas d'aimant du tout.

Une petite bille à noyau de fer repose sur une surface, et un champ magnétique tourne autour d'elle. La bille se met à rouler comme une roue, et en général elle va dans le sens de rotation du champ. Mais parfois, elle fait soudainement demi-tour et roule dans l'autre sens — à contre-courant.

Une feuille ordinaire de phosphore noir ressemble à un gâteau en couches d'atomes. Si on l'éclaire avec une lampe classique, rien de particulier ne se produit : les électrons restent bien en place, comme des spectateurs dans une salle obscure. Mais une brève impulsion laser, durant des millionièmes de milliardième de seconde, secoue cette salle.

Sous un fort champ magnétique, les électrons confinés dans une couche mince s'alignent parfois en un motif régulier — comme des invités à une fête bondée qui trouvent un endroit où personne ne les bouscule. On appelle cet ordre un cristal, même s'il ne s'agit ni de glace ni de sel, mais des électrons eux-mêmes, figés à leur place.

Deux rangées de balançoires se balançant en sens opposés ne font pas pencher la plateforme. Cependant, leur mouvement génère des tourbillons invisibles qui poussent une balle sur le côté. C'est ainsi que se comportent les altermagnets : les flèches magnétiques des atomes sont parfaitement compensées, mais la symétrie cachée courbe le flux de chaleur.