frustration magnétique

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.

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.

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.

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.

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.

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).

Des scientifiques ont fait en sorte que des ondes électromagnétiques se perdent à jamais dans un labyrinthe tridimensionnel de particules métalliques. Jusqu'à présent, cela n'avait été réalisé que pour le son ou les électrons. L'entropie — mesure du désordre — a joué ici le rôle d'un cul-de-sac : les ondes se superposaient et s'annulaient mutuellement, perdant leur direction.

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.

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 ?

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.

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.

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.

Le vide peut engendrer des particules si on lui applique un champ suffisamment intense. Les physiciens appellent cela le paradoxe de Dirac–Klein. Auparavant, cela nécessitait des calculs très complexes de théorie quantique des champs. Mais on peut s'en sortir avec une image parlante : un élastique fortement tendu avec un nœud. Le nœud représente une particule.

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.

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 aimant plat, c'est comme une feuille mince sur laquelle courent des ondes d'aimantation. Dans des conditions normales, ces ondes s'atténuent rapidement, mais si on applique un champ magnétique intense, un signal inattendu apparaît dans le matériau — net et étroit, telle l'ombre de l'onde principale.

Les atomes magnétiques dans un solide ressemblent à des aiguilles de boussole : d'habitude, en refroidissant, ils s'alignent dans une même direction — c'est ainsi qu'apparaît le magnétisme. Mais dans le composé TbInO3, les aiguilles de terbium sont disposées sur un réseau triangulaire, où il est impossible de satisfaire tous les voisins à la fois.

À l'intérieur d'un aimant, il existe des régions où tous les petits aimants atomiques pointent dans la même direction. Entre ces régions se trouve une zone de transition étroite où la direction de l'aimantation tourne progressivement. Cette zone est appelée paroi de domaine.

Un cristal de la taille d'une moitié de boîte d'allumettes a été cultivé dans un four, où une zone fondue rampait lentement le long d'une tige, laissant derrière elle des couches parfaitement ordonnées.

Le chat de Erwin Schrödinger, selon les lois quantiques, peut être à la fois vivant et mort. Mais avec une table, ce tour ne fonctionne pas. Lorsqu'un objet massif tente de se trouver à deux endroits, sa masse courbe tellement l'espace-temps qu'au lieu de deux points, il se forme un unique creux profond — et l'objet y glisse.

Un carrelage ordinaire forme un motif répétitif. Mais les atomes peuvent faire mieux : dans certaines conditions, ils assemblent seuls une mosaïque complexe dont le motif ne se répète jamais, comme sur les anciens panneaux de faïence.

Si l'on place un morceau de métal ordinaire dans un champ magnétique intense, il s'échauffe légèrement. Mais certains matériaux font l'inverse : ils refroidissent. C'est ce qu'on appelle l'effet magnétocalorique, sur lequel on construit déjà les réfrigérateurs du futur, sans fréon.

Les aimants de ce cristal se comportent comme des invités à une fête où chacun veut s'asseoir sur la même chaise. Personne ne peut s'installer définitivement — et de ce désordre naît un état particulier. Dans cet état, le moment de spin (ce qui fait de l'électron un minuscule aimant) parvient à parcourir 480 micromètres.

Dans un cristal, les atomes occupent généralement leur place attitrée, comme des passagers dans un avion avec leurs billets. Mais dans ce matériau, le cuivre et le tantale ont pris des positions au hasard — comme si les billets avaient été mélangés. Les scientifiques ont observé le cristal à l'aide de rayons X et ont constaté que le désordre n'est pas seulement sur le papier, mais dans la disposition même des atomes.

Le cristal EuAuBi ressemble à un mille-feuille d'atomes d'europium, d'or et de bismuth. Lorsqu'on le refroidit presque jusqu'au zéro absolu, trois motifs magnétiques distincts apparaissent tour à tour, comme les motifs d'un kaléidoscope qui changent à chaque légère rotation.

Les électrons dans un conducteur se comportent généralement comme un gaz : ils se déplacent de manière chaotique, entrent en collision, ne tiennent pas en rang.

Les minuscules aiguilles magnétiques à l'intérieur d'un cristal d'oxyde de terbium et d'iridium se comportent étrangement : au lieu de s'aligner le long de leur axe préféré, elles se placent perpendiculairement. Cet état se forme complètement lors du refroidissement à 1,5 kelvin — une température plus froide que celle de l'espace interstellaire.

Le nouveau matériau magnétique est organisé comme une pile de crêpes : dans chaque couche, toutes les « flèches » atomiques pointent dans la même direction, mais la couche voisine est aimantée dans le sens opposé. Le motif de triangles — le réseau kagomé — est déformé parce qu'une partie des atomes a été remplacée par des haltères de germanium.

Le diséléniure de niobium est un matériau en couches qui conduit le courant sans résistance à basse température. Si l'on insère des atomes de nickel entre ses couches, comme des fils supplémentaires dans un tissu, la supraconductivité disparaît.