imagerie des domaines magnétiques

Un film magnétique de trois millièmes de millimètre d'épaisseur repose sur un substrat cristallin. Si on l'excite, des ondes d'aimantation se propagent à sa surface, comme des ronds dans l'eau. Simultanément, des oscillations élastiques peuvent apparaître dans le substrat, semblables aux vibrations d'une corde tendue.

La caméra à pixel unique évoque un artiste qui peint à travers un pochoir percé de nombreux trous. Chaque prise de vue ne laisse passer qu'une partie du flux lumineux, puis l'ordinateur assemble ces fragments pour reconstituer une image complète. Autrefois, l'ordre des masques était immuable, comme si l'artiste utilisait toujours le même pochoir sans jamais regarder son sujet.

Les chaînes de spin quantiques évoquent une file de personnes se transmettant une poignée de main secrète : chacun se tourne vers son voisin, et la force de la poignée détermine la manière dont l'onde se propage le long de la chaîne.

Créer un matériau aux propriétés données est un art qui s'est longtemps reposé sur l'intuition et la chance. La nature ne donne aucun indice : des dizaines d'éléments dans le tableau de Mendeleïev, et le nombre de leurs combinaisons tend vers l'infini.

Une pile soignée de couches atomiques repose sur un substrat. Un faisceau invisible de lumière térahertz tombe par-dessus, et un champ magnétique est appliqué sur le côté. Après réflexion, le faisceau tourne légèrement sa polarisation.

Un film magnétique d'une épaisseur de quelques dizaines d'atomes stocke l'information sous forme de minuscules vortex magnétiques. Mais on ne peut pas regarder à l'intérieur et voir ces vortex directement : l'instrument ne détecte que le faible champ magnétique autour du film.

Un orchestre sans chef joue, et soudain — sans ordre visible — les violons commencent à sonner plus fort, et les cuivres se décalent légèrement dans le temps. De l'extérieur, rien ne semble avoir changé, mais à l'intérieur de l'ensemble, il y a eu une réorganisation. C'est à peu près ainsi que se comportent les petits systèmes physiques lors des pseudotransitions du troisième ordre.

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.

Chaque galaxie flotte dans un nuage de gaz invisible, comme un fruit dans un sirop. Ce gaz est un reste du matériau de construction à partir duquel les étoiles se sont formées, et il est constamment alimenté par de nouvelles portions provenant de l'espace intergalactique. Le voir directement est presque impossible : il est trop ténu et trop froid.

Un cristal ne pousse pas comme un tout homogène, mais comme une ville faite de quartiers : les grains. Dans chaque quartier, les atomes sont arrangés à leur manière, et les frontières entre eux sont comme des rues.

Le cristal CeB6 ressemble à une boîte à secret : à l'intérieur, les électrons peuvent occuper quatre positions presque identiques, comme quatre sièges autour d'une table. Tant que personne ne regarde, l'électron semble assis sur les quatre à la fois.

Le bord d'un aimant agit comme le sillet d'une guitare : une corde pincée tout près du bord sonne différemment, avec un ensemble d'harmoniques plus riche. C'est à peu près ce que font les ondes magnétiques dans une fine bande de nickel et de fer.

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.

Le Soleil n'est pas une sphère tranquille. À l'intérieur, des ondes se propagent en permanence, comme dans une cloche après un coup. Ces oscillations remontent à la surface et révèlent ce qui se passe sur la face cachée, invisible. Les astronomes savent depuis longtemps « écouter » cette sonnerie et y repérer de grands groupes de taches.

Le champ magnétique est invisible, mais on peut le faire « briller » grâce à de minuscules défauts dans le diamant : les centres azote-lacune. Chaque défaut agit comme une boussole miniature qui indique l'orientation du champ. Le problème, c'est qu'il y a beaucoup de ces boussoles, et les lire toutes une par une reviendrait à recopier à la main chaque lettre d'un gros livre.

Le champ magnétique terrestre ressemble à une rivière invisible qui serpente sous nos pieds. Les navigateurs et les géologues consultent les cartes de cette rivière, mais les instruments ne prennent des mesures qu'en des points isolés, laissant des zones blanches entre eux. Les combler, c'est un peu comme dessiner le lit d'une rivière à partir de quelques cailloux trouvés sur la berge.

Une onde ordinaire dans un aimant ressemble à des rides à la surface de l'eau : plus le pas de l'onde est court, plus son énergie est élevée. Les physiciens appellent ces ondes des magnons. Mais dans une fine couche de grenat de bismuth et d'yttrium, on a réussi à créer des ondes au comportement inverse : leur énergie diminue lorsque la longueur d'onde se réduit. Ce sont des antimagnons.

La lumière, en traversant une vitre, se réfracte de la même manière dans toutes les directions. Mais dans les cristaux en couches minces, c'est différent : la lumière qui se propage le long des couches perçoit le matériau autrement que celle qui les traverse.

L'électron est une particule minuscule, mais dans un cristal, il se comporte comme s'il avait une masse différente. C'est ce qu'on appelle la masse effective. Pour la mesurer, les physiciens font courir les électrons en rond dans un champ magnétique — comme un patineur sur une patinoire à qui l'on ne permet pas de quitter son orbite.

Un aimant de frigo tient grâce à de minuscules aiguilles internes, chacune comme une boussole miniature. Si l'on frappe le métal avec une impulsion lumineuse ultra-courte, ces aiguilles se mettent à tournoyer de manière chaotique, et le magnétisme fond en un millionième de milliardième de seconde. Autrefois, une telle « fonte » était trop rapide pour être observée.

Il y a cent ans, les observatoires magnétiques n'enregistraient que les lentes respirations du noyau terrestre. Aujourd'hui, leurs données deviennent un terrain de chasse pour la physique des particules.