flexoélectricité

Sur la table repose un morceau de graphite, cultivé à partir de gaz, comme un dépôt sur la paroi d'un réacteur. En général, un tel matériau ne convient pas pour convertir la chaleur en électricité : à l'intérieur, les électrons et les trous courent dans des directions opposées et s'annihilent mutuellement.

Une impulsion laser frappe un nuage de gaz et en arrache les électrons, laissant derrière elle une bulle, une cavité où il n'y a presque plus de particules. Cette bulle traverse le plasma à une vitesse proche de celle de la lumière, et ses parois entraînent les électrons qui s'y trouvent, comme un hors-bord tire un skieur nautique.

Si l'on fait passer un courant dans deux conducteurs soudés ensemble, le point de soudure se réchauffe ou se refroidit : c'est l'effet Peltier, utilisé dans les réfrigérateurs de voiture.

Les électriciens qui travaillent sur les hautes tensions ressemblent à des plongeurs : ils doivent voir ce qui se passe au fond de l'eau sans y descendre eux-mêmes. Pour cela, il faut un capteur placé à l'écart du courant dangereux et qui transmet l'information vers la surface.

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.

Plier une feuille de papier est facile. Mais la comprimer en poussant sur le bord, c'est tout autre chose : le papier se froisse, mais transmet à peine l'effort plus loin. C'est ainsi que fonctionne l'élasticité ordinaire — la déformation dépend de l'endroit et de la manière dont on appuie. Le nouveau réseau tridimensionnel pousse ce contraste à l'extrême.

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 bobine de Tesla crépite, et un faisceau lumineux commence à tourner autour d'elle. Le milieu qu'il traverse est encore stable — mais le champ augmente, et la rotation s'intensifie. Ce n'est pas un tour de magie, mais le comportement de matériaux particuliers : ils couplent électricité et magnétisme.

Dans les immenses nuages de gaz ténu qui emplissent l'espace entre les étoiles, ça bouillonne en permanence. Explosions de supernovae, flux en collision : tout cela secoue le plasma. Et dans ces ondulations, comme on l'a découvert, se cache un mécanisme de naissance des champs magnétiques.

Du Soleil à la Terre, le vent solaire file à toute allure, mais la magnétosphère dévie le flux et en sculpte des queues de plasma.

L'espace est parcouru de champs magnétiques. On en trouve autour des galaxies, des étoiles, et même dans les vides cosmiques (les immenses espaces vides entre les amas de galaxies). On considère généralement que ces champs sont amplifiés à partir de champs « germes » faibles grâce à la turbulence, un peu comme une dynamo.

Plus un film ferroélectrique est mince, plus le champ dépolarisant est fort — c'est le diktat de la physique classique. Imaginez un crayon en équilibre sur le bout du doigt : plus il est court, plus il est difficile de le tenir vertical. De même, la polarisation nanométrique tend à disparaître.

Un morceau de sucre serré entre les doigts se réduira presque certainement en miettes plutôt que de se comprimer uniformément. Les concepteurs d'ordinateurs quantiques sont confrontés à un problème similaire. Ils doivent légèrement étirer ou comprimer de minuscules plaques de silicium, sur lesquelles on place ensuite les qubits.

Un aimant ordinaire ressemble à une boussole : l'aiguille pointe vers le nord. Mais une boussole quantique peut regarder dans les deux directions à la fois.

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.

Un élastique qui devient plus épais à mesure qu'on le tire. En électricité, ce comportement s'appelle la capacité négative : plus la charge s'accumule sur les armatures, plus la tension diminue. Un condensateur ordinaire fonctionne à l'inverse — la tension augmente avec la charge.

Si l'on chauffe un clou dans un feu, il s'allonge — tout le monde le sait. Mais si l'on ne chauffe que la pointe en laissant l'autre extrémité froide, le clou ne se contente pas de s'allonger : il se courbe, car le métal chaud se dilate plus que le métal froid. C'est précisément cette flexion, mais à l'échelle atomique, que des physiciens ont transformée en électricité.

Un épais élastique en caoutchouc est tordu de plus en plus fort. À un moment donné, il n'y tient plus — il se rompt et fouette l'air, libérant l'énergie accumulée. C'est à peu près ce qui se passe avec les champs magnétiques à l'intérieur des étoiles à neutrons — ces résidus ultra-denses d'étoiles explosées.

Si l'on comprime un morceau de métal ordinaire, il chauffe — même ceux qui ont gonflé une roue de vélo le savent. Mais que se passe-t-il si l'on comprime un aimant dont les flèches atomiques refusent de se figer même au zéro absolu ?

Un peigne passé dans les cheveux attire des morceaux de papier. Ce tour de physique élémentaire, des chercheurs ont décidé de l'appliquer à l'échelle microscopique pour piloter des vortex magnétiques appelés skyrmions.

Deux feuilles de papier superposées, lorsqu'on les chauffe, commencent à ramper imperceptiblement l'une sur l'autre. C'est à peu près ce que font les couches de disulfure de molybdène, un matériau d'un atome d'épaisseur. À température ambiante, elles glissent spontanément à une vitesse d'environ un mètre par seconde.

Frotter un peigne sur de la laine produit une étincelle. Un principe similaire est à l'œuvre dans les nanogénérateurs triboélectriques, des dispositifs qui convertissent les contacts mécaniques en électricité. Le problème, c'est que les matériaux ordinaires ne fournissent qu'une charge faible.

Un aimant sur un réfrigérateur tient parce que les minuscules flèches atomiques à l'intérieur sont alignées dans une même direction. Mais si ces flèches commencent à se disputer – certaines tirent à gauche, d'autres à droite, d'autres tournent comme des toupies – on obtient une frustration magnétique.

Une fine pellicule de savon sur la main épouse la forme de la paume, mais dès que l'on serre les doigts, la tension varie de manière inégale. C'est un peu ce qui se passe avec une monocouche de disulfure de molybdène sur un substrat de graphite.

Un petit morceau de pellicule d'oxyde de zinc repose sur une table. On approche un aimant et on commence à le faire tourner lentement autour de la pellicule. La pellicule, plus fine qu'un cheveu humain, se met à changer de dimensions : elle se contracte, puis s'étire.

Dans une fine couche de cristal liquide — une substance qui s'écoule comme un liquide, mais dont les molécules sont ordonnées comme dans un solide — naissent des tourbillons plus petits que l'épaisseur d'un cheveu humain. Ces tourbillons ressemblent à de minuscules toupies : ils peuvent se déplacer sans se désagréger et se comportent presque comme de vraies particules.

Le cristal Fe₃Sn₂ ressemble à un treillis ornementé où les atomes de fer occupent les sommets d'hexagones. Dans des conditions normales, leurs aiguilles magnétiques sont alignées bien droite, comme des soldats au garde-à-vous. Mais dès qu'on comprime le cristal, l'ordre se brise.

Dans un cristal de titanate de baryum règne un champ électrique interne — comme un aimant permanent, mais pour les charges. Quand une impulsion lumineuse le frappe, elle arrache des électrons qui se mettent à s'agiter, percutant les atomes.

Le cristal Co2SeO3Cl2 ressemble à un gâteau en couches, où chaque couche est un réseau en nid d'abeille incurvé d'atomes de cobalt. Lors du refroidissement jusqu'à 25,4 K (−247,75 °C), les moments magnétiques des atomes commencent à s'aligner, comme des aiguilles de boussole, mais pas tous d'un coup : en quatre étapes, à 25,4, 16,8, 11 et 3 K.

Le cristal de phosphate de lithium-cobalt ressemble à un échiquier dont les cases noires et blanches sont des régions où les moments magnétiques des ions cobalt pointent dans des directions opposées.

Lorsque deux matériaux différents sont pressés l'un contre l'autre puis séparés, une étincelle jaillit entre eux. Tout le monde connaît cela : retirer un pull en laine dans le noir ou recevoir une décharge en touchant une poignée de porte. Pendant longtemps, on pensait que les charges passaient simplement d'une surface à l'autre en raison des différences de propriétés des matériaux.

Un morceau de céramique de la taille d'un ongle est comprimé dans un étau, et sa structure interne se modifie, comme de l'argile sous les doigts. À l'intérieur du matériau, de minuscules régions qui étaient auparavant orientées de manière aléatoire s'alignent en rangées régulières.

Une simple bande de caoutchouc remplie de fines limailles de fer ne se contente pas de se plier sous l'effet d'un champ magnétique — elle se noue en un nœud stable. C'est cet effet que des physiciens ont prédit et reproduit expérimentalement en travaillant avec un élastomère magnétoactif : une base en silicone contenant des particules de fer carbonyle.

Un morceau d'or n'attire pas les trombones. Mais si l'on prend un film mince d'un alliage de gadolinium, d'or et de germanium et qu'on commence à le courber, des régions magnétiques peuvent y apparaître. Les scientifiques ne l'ont pas fait avec leurs mains, mais à l'aide d'un flux d'ions hélium qui pénétrait dans le matériau à travers un masque à motifs.

Lorsque vous appuyez avec le doigt sur un morceau de pâte à modeler molle, elle se déforme docilement, puis reprend lentement sa forme initiale. Mais si vous appuyez sur une vitre, elle résistera ou se fissurera — aucune déformation progressive. Les deux matériaux sont amorphes : leurs atomes ne sont pas disposés en un réseau cristallin strict comme dans un métal.

Un film cristallin plus fin qu'un cheveu humain repose sur un support rigide, comme un tapis cloué au sol. Le support empêche le film de changer librement de forme sous l'effet de la chaleur : il se contracte et se dilate de manière contrainte, perdant ainsi en sensibilité.

À l'intérieur de chaque cellule, il existe un échafaudage de filaments – comme des échafaudages de construction qui lui donnent sa forme et lui permettent de se déplacer.

Les couches d'atomes torsadées dans un matériau forment un motif de minuscules zones — les domaines, chacun pouvant être électrisé dans l'une des deux directions, comme l'aiguille d'une boussole pointant vers le nord ou le sud.

Une fine pellicule d'oxyde de fer SrFeO3 repose sur un substrat qui l'étire légèrement. À l'intérieur de la pellicule, les moments magnétiques des atomes s'enroulent en spirale, comme un escalier en colimaçon. L'étirement a modifié cet escalier : le pas est devenu plus court et l'axe lui-même s'est incliné. La cause réside dans l'oxygène.

Le métal en fusion ressemble à une salle bondée où tout le monde attend le signal pour commencer à danser. La cristallisation, c'est ce moment où le chaos se transforme en ordre. Mais pour que la danse commence, il faut un premier pas : l'apparition de minuscules germes cristallins. Habituellement, cela exige un refroidissement important du métal.