aimant frustré

Dans l'atelier de la nature, il existe une étrange machine : elle taille des filetages sur des vis, mais interdit le pas à gauche. On peut visser une vis aussi fort qu'on veut, dans le sens horaire, mais pas dans le sens antihoraire.

Dans un massif montagneux, il y a des sentiers que l'on peut réduire à un point en suivant une vallée plate. Mais il existe aussi des itinéraires en boucle impossibles à contracter sans franchir une crête.

Le cristal d'herbertsmithite, semblable à un gâteau en couches de cuivre et de bore, se comporte comme une échelle : les spins du cuivre sont alignés en deux lignes parallèles reliées par des barreaux.

Deux danseurs sur une même scène : le triangle et la bande. Dans un gaz quantique d'atomes de dysprosium, refroidi à 62 nanokelvins, ces deux structures spatiales se sont affrontées pour la première fois dans une même expérience.

Une échelle dont les barreaux sont de minuscules aimants. Si les aimants voisins pointent dans des directions opposées, l'échelle est « calme ». Mais si on les force à pointer dans la même direction, toute la structure s'aimante et devient « têtue ».

Un gaz superfluide, c'est comme une foule qui marche au même pas : chaque atome sait où aller et ne dévie pas du rythme commun. Mais cette foule a trois « vallées » — trois directions différentes qu'elle peut prendre.

Le cristal PbCuTe₂O₆ évoque une toile tridimensionnelle tissée de cuivre, de tellure et d'oxygène. À l'intérieur, les moments magnétiques (de minuscules flèches associées aux spins des électrons) sont si intrigués qu'ils ne parviennent pas à s'aligner dans un ordre conventionnel, même au voisinage du zéro absolu.

Un miroir magnétique est un tube ouvert aux deux extrémités. Le champ magnétique y est conçu pour empêcher le plasma chaud de s'échapper : il se resserre aux extrémités, comme un bouchon dans une bouteille. Les particules de plasma qui volent vers la sortie sont repoussées par ces « bouchons » et reviennent en arrière.

Une chaîne quantique ressemble à une guirlande lumineuse où les ampoules sont les spins des particules. Idéalement, toutes les ampoules clignotent en synchronie, suivant un rythme commun — c'est la symétrie. Mais si l'on coupe un morceau de la guirlande, le rythme peut se dérégler : à l'intérieur du segment, la symétrie est brisée.

Le rayon de l'étoile chute de mille kilomètres. Non pas parce que sa masse a augmenté, mais parce que son propre champ magnétique a comprimé la croûte, tel un corset invisible.

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.

Dans l'image habituelle de Heisenberg, les spins, à basse température, doivent s'aligner en un motif strict. Mais certains cristaux — comme le pyrochlore — où la géométrie rend son verdict.

Un champ magnétique maintient une minuscule particule en suspension dans l'air, tel un partenaire invisible dans une danse. Un réglage particulier du champ crée un piège avec deux « positions ». Dans le monde ordinaire, un danseur n'occupe qu'une seule position, mais dans le monde quantique, il occupe les deux simultanément.

Dans un cristal que l'on appelle depuis des siècles « l'or des fous », des physiciens ont aperçu un véritable trésor. Le composé MnTe2, de structure pyrite, est devenu la scène d'un ballet quantique : les ondes de spin s'y enroulent en tourbillons gauchers et droitiers, et le sens de l'enroulement est intimement lié à l'impulsion.

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.

Dans un monde qui tend vers le chaos, le rythme naît parfois. La réaction chimique de Belousov-Jabotinsky fascine depuis des décennies : dans une éprouvette, des vagues colorées courent toutes seules, comme un organisme vivant qui respire la matière.

La lumière d'un blazar lointain (un noyau actif de galaxie qui projette un jet dans notre direction) voyage vers nous pendant des milliards d'années. En chemin, elle génère des gerbes de particules chargées que le champ magnétique intergalactique dévie sur les côtés.

Un conducteur ionique ressemble à un bus bondé où les passagers (les ions) tentent de se frayer un chemin vers la sortie. On pensait auparavant que pour sortir rapidement, il fallait soit que le bus se balance doucement (réseau souple), soit que les passagers soient dans un désordre chaotique (désordre géométrique).

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.

Un trou de ver est un tunnel dans l'espace-temps courbé qui raccourcit le chemin entre des régions éloignées. Dans la théorie d'Einstein, un tel tunnel s'effondre instantanément : pour qu'il tienne, il faut une « entretoise » faite d'une substance à énergie négative (antigravité).

Un orchestre où chaque musicien joue sa partition sans écouter les autres. Soudain, sans ordre visible, les voisins de pupitre commencent à se synchroniser parfaitement, mais la mélodie commune n'existe pas encore.

Un minuscule aimant flotte dans un piège magnétique, telle une aiguille en apesanteur. Son axe magnétisé est comme l'aiguille obstinée d'une boussole à qui l'on interdit de tourner. Devant elle se dresse un mur invisible.

Le champ magnétique augmente, mais l'aimantation reste figée. Comme une balance sur laquelle on ajoute des poids sans que l'aiguille ne bouge, jusqu'à ce qu'il y en ait assez pour sauter à la graduation suivante. C'est exactement le comportement des cristaux de tétraborures de terres rares, et les physiciens n'ont pas compris pourquoi pendant des décennies.

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 vortex magnétique, ou skyrmion, ressemble à un minuscule tourbillon dans une mer de spins — les moments magnétiques intrinsèques des atomes.

Une poignée de pièces de cuivre éparpillées sur un treillis triangulaire se fige dans un ordre étrange lorsqu'on y fait passer un courant. C'est à peu près ce que font les minuscules aiguilles magnétiques — les spins des électrons — dans un cristal au nom rare : la Y-kapellasite.

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.

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.

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.

Les physiciens tentent d'entendre un murmure dans une pièce bruyante. Ils construisent une cabine insonorisée, mais même là, leur propre respiration et les battements de leur cœur créent des interférences.

Un gaz superfluide se comporte comme un liquide sans frottement. Deux nuages de ce gaz sont reliés par un pont étroit, et un flux de particules le traverse. Cela rappelle l'effet Josephson dans les supraconducteurs, sauf qu'ici ce sont des atomes neutres au lieu d'électrons.

Selon le modèle standard, le vide n'est pas un néant, mais un océan de particules virtuelles fantomatiques. Un champ électromagnétique surpuissant, telle une tempête, arrache des paires d'électrons et de positrons à la réalité.

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.

Dans une pastille magnétique minuscule, plus petite qu'un micron, vit un vortex – l'aimantation s'enroule comme l'eau dans un entonnoir. Au centre de cet entonnoir se trouve le cœur, qui tourne lui-même sur une petite orbite, telle une toupie qu'on aurait lancée.

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.

Les monopôles magnétiques sont comme des moitiés d'aimant qui ne peuvent pas exister seules dans un matériau ordinaire. Mais dans la glace de spin, ils apparaissent par paires, reliés par un fil invisible — la corde de Dirac.

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.

Les matériaux magnétiques se comportent parfois comme des disputeurs incapables de s'entendre : certaines liaisons entre atomes tirent d'un côté, d'autres du côté opposé. Lorsque ces conflits se multiplient, le système est « frustré » — il ne peut pas trouver un état de repos unique.

Un panier tressé en bambou n'est pas qu'un simple objet du quotidien : c'est aussi un schéma précis de l'arrangement des atomes dans le cristal YMn₆Sn₆. Six atomes de manganèse forment des hexagones qui s'assemblent en un motif rappelant le kagome japonais. Dans un tel réseau, les électrons se comportent généralement tous de la même manière, comme des passagers dans un métro bondé.