vortex magnétique

Un tourbillon dans un disque magnétique se comporte généralement comme une grande toupie : pour qu'il ne bascule pas, il faut une plateforme spacieuse et un fort champ propre qui le ramène au centre. Mais que se passe-t-il si l'on réduit la plateforme à la taille d'un virus ? L'appui habituel disparaît et le tourbillon devrait se désagréger.

Le four à micro-ondes réchauffe les aliments, mais au laboratoire, les micro-ondes ont fait autre chose : elles ont transformé un supraconducteur en aimant permanent. Un film d'oxyde d'yttrium-baryum-cuivre de 300 nanomètres d'épaisseur, refroidi à 80 kelvins, a réagi à un rayonnement de 5 gigahertz.

Un tourbillon dans un disque magnétique se comporte généralement comme une grande toupie : pour qu'il ne bascule pas, il faut une plateforme spacieuse et un fort champ propre qui le ramène au centre. Mais que se passe-t-il si l'on réduit la plateforme à la taille d'un virus ? L'appui habituel disparaît et le tourbillon devrait se désagréger.

Au cœur d'une étoile à neutrons, où la matière est comprimée à la densité du noyau atomique, les neutrons forment un liquide superfluide et les protons un supraconducteur. Un vortex de neutrons est un vortex quantifié dans le superfluide, semblable à un minuscule tourbillon qui ne peut pas s'arrêter.

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.

Un amas globulaire — un essaim dense de centaines de milliers d'étoiles — traverse une galaxie comme une balle dans l'eau. Dans la matière noire ordinaire (cette masse invisible qui maintient les galaxies), il devrait perdre rapidement de la vitesse à cause du frottement dynamique.

Une pierre tombe dans une eau calme — et des anneaux réguliers se propagent à la surface. Si la pierre ne tombe pas seulement, mais tourne aussi, de petites vortex apparaissent à la surface — des tourbillons. La lumière sait faire de même, sauf qu'à la place de l'eau, ce sont l'espace et le temps eux-mêmes.

Au centre d'une galaxie lointaine, où tourne un trou noir supermassif d'une masse de cent millions de soleils, l'espace est parcouru de champs magnétiques.

Deux feuilles de séléniure de tungstène — non pas en carbone, mais en un composé de tungstène et de sélénium — sont tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle minuscule, d'environ 5 degrés. Il en résulte un motif de moiré : un réseau périodique agrandi où les électrons se comportent tout autrement que dans un cristal ordinaire.

Après le Big Bang, selon la cosmologie inflationniste, l'Univers a connu une expansion rapide et une série de transitions de phase.

Les entrailles des étoiles à neutrons sont un royaume de matière dégénérée. Ici, les protons se condensent en un condensat supraconducteur, parcouru de tourbillons quantiques. Imaginez de minuscules toupies magnétiques : chacune porte un quantum de flux magnétique et glisse à travers le fluide électronique.

Au centre de nombreuses galaxies se cache un nuage invisible : le halo de matière noire. Si cette matière est suffisamment froide et légère, elle se comporte comme un superfluide : elle s'écoule sans frottement, et toute rotation s'y enroule en de minuscules vortex quantiques — des filaments de la taille d'un…

Dans le monde quantique, il y a une danse bien à lui. Deux tores supraconducteurs, chacun retenant confortablement son flux magnétique quantifié, tournoient dans une valse synchronisée. Entre eux, le vide, aucune ligne de champ, mais ils répondent sans faillir aux mouvements de l'autre.

Une poêle étroite et allongée – et la fine crêpe y fige en bandes irrégulières. Pendant des décennies, les scientifiques ont observé un tableau similaire en modélisant le comportement des électrons dans les supraconducteurs – des matériaux qui conduisent le courant sans perte.

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.

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.

Le champ magnétique ne pénètre pas dans un supraconducteur comme un flux continu, mais sous forme de filaments fins : les vortex. En général, ils se repoussent et s'organisent en un réseau triangulaire régulier, comme des flotteurs à la surface de l'eau.

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 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.

Une cellule qui s'apprête à se diviser commence par marquer sa taille. Sous sa membrane, dans un fin gel de filaments protéiques, un mouvement s'engage. Les filaments coulent comme une rivière lente et, au milieu de la cellule, une ceinture se forme. Cette ceinture se resserre de plus en plus jusqu'à ce que la cellule se divise en deux.

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.

À l'intérieur de la Terre se trouve un noyau de fer solide de la taille de la Lune. Il flotte dans du métal liquide et oscille légèrement, comme un noyau de pêche dans le fruit si on le secoue. Ces oscillations sont appelées modes de Slichter : le noyau se déplace tantôt le long de l'axe de la planète, tantôt transversalement.

L'eau bout dans la bouilloire — et des ondes de vapeur se propagent dans la cuisine. Dans l'espace, un processus similaire se produit dans le plasma — un gaz si chauffé que les électrons se détachent des atomes. Autour des trous noirs et des étoiles à neutrons, ce plasma n'est pas seulement chaud : ses particules filent à une vitesse proche de celle de la lumière.

Au cœur froid d'un cristal pur, les électrons du modèle standard s'écoulent comme un fluide visqueux — une idée prédite par Lev Landau. Mais les tourbillons de ce fluide restaient invisibles, comme un tableau noyé dans le bruit de fond.

Une fine feuille de graphène de quelques micromètres d'épaisseur a été placée dans un faible champ magnétique – et elle a commencé à le repousser, comme une éponge expulse l'eau quand on la presse.

Le courant électrique dans un supraconducteur ressemble à une foule qui court dans un couloir sans frottement. Mais dans les supraconducteurs de type II, il y a des obstacles : de minuscules vortex de champ magnétique que le courant déplace. Dès qu'un vortex bouge, une résistance apparaît et le courant chute.

Un supraconducteur conduit le courant sans perte, comme une route parfaitement lisse sur laquelle les voitures roulent sans frottement. Mais que se passe-t-il si l'on parsème la route de cailloux et de nids-de-poule ? Des scientifiques ont décidé de le vérifier en ajoutant du désordre à un matériau supraconducteur d'un atome d'épaisseur.

La mémoire d'un ordinateur classique consomme constamment de l'énergie pour stocker les uns et les zéros. Les supraconducteurs, eux, conduisent le courant sans aucune perte – si on fabriquait une mémoire avec eux, elle ne consommerait presque pas d'électricité. Le problème, c'est que les supraconducteurs ne savent pas mémoriser : leur état change trop facilement.

Un supraconducteur ordinaire perd sa résistance lorsqu'on le refroidit, et le courant y circule sans pertes. Mais dans les films ultraminces, tout est différent : le matériau oscille entre l'état normal et l'état supraconducteur, et dans cet intervalle apparaissent d'étranges vagues de résistance.

Un fil très fin fait d'un matériau spécial — l'isolant topologique — se comporte comme une rue en ville : l'intérieur est vide, et tout le trafic se fait sur les bords. Les électrons dans un tel fil ne se déplacent que sur la surface, comme des piétons sur le trottoir, sans s'aventurer sur la chaussée.

Une jeune planète dans un disque de gaz ressemble à un nageur qui tente de remonter un courant : le frottement contre le gaz la freine et elle se rapproche de l'étoile en spirale. Pour les petites planètes rocheuses, une telle chute peut prendre moins de temps que celui nécessaire à leur croissance.

Un interrupteur ordinaire clique – et le courant passe ou ne passe pas. Voici maintenant un matériau qui commute tout seul entre « conduit sans perte » et « résiste » sous l'effet d'un aimant. C'est exactement ce sandwich qu'ont assemblé des physiciens : une fine couche de plomb déposée sur un supraconducteur à base de bismuth, strontium, calcium, cuivre et oxygène.

Un supraconducteur est un matériau dans lequel le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si des vortex apparaissent, le courant commence à « trébucher » sur ces minuscules tourbillons. Dans le graphène tordu selon un angle particulier, on peut créer et étudier ces vortex un par un.

Dans un supraconducteur, le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si l'on place ce matériau dans un champ magnétique, des tourbillons apparaissent à l'intérieur — de minuscules entonnoirs où la supraconductivité est détruite.

Dans un supraconducteur ordinaire, les électrons s'associent en paires immobiles — leur impulsion totale est nulle. Mais il existe une autre possibilité : les paires acquièrent une impulsion commune et se mettent en mouvement, tel un banc de poissons remontant le courant. Cet état, appelé onde de paires, est très capricieux et exige des conditions particulières.

Un cristal supraconducteur est comprimé dans une petite cellule — comme si on le serrait dans un étau, mais avec de l'eau pour que la pression soit répartie uniformément. Une pression allant jusqu'à 1,08 GPa (soit environ cent fois plus que dans un pneu de voiture) ne modifie presque pas la température à laquelle le matériau perd sa résistance.

À l'intérieur d'une cellule vivante, une minuscule toupie de carbone tourne — une molécule de la taille d'un milliardième de mètre. Une toupie ordinaire tombe vite, mais celle-ci se comporte autrement : elle peut tourner dans les deux sens à la fois, comme une pièce quantique qui resterait éternellement suspendue dans sa chute.

Les vortex magnétiques dans les supraconducteurs, comme des tourbillons dans l'eau, dissipent généralement de l'énergie et disparaissent rapidement à cause du frottement interne — la dissipation. Cela entrave leur utilisation dans les puces quantiques.

À 78 K, le cristal Mn₃Si₂Te₆ se transforme en bobine d'induction qui n'a besoin ni de fil de cuivre ni de supraconducteur. Les électrons à l'intérieur s'organisent spontanément en tourbillons fermés avec un sens de rotation défini, des courants orbitaux chiraux.

Deux anneaux de vortex, émis l'un après l'autre, se traversent mutuellement en échangeant leurs positions. Cette danse, observée pour la première fois au XIXe siècle avec des anneaux de fumée, est maintenant reproduite sur un processeur quantique. Les vortex sont les acteurs sur la scène quantique, où le temps joue le rôle d'une dimension supplémentaire.