effet magnétocalorique

Dans un système binaire, la naine blanche aspire le gaz de son étoile voisine comme un aspirateur. Si la naine possède un champ magnétique, le gaz ne tombe pas n'importe où : il s'écoule vers les pôles, comme la limaille de fer vers un aimant. Là, il s'accumule en un amas. Mais qu'est-ce qui empêche cet amas de s'étaler ?

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.

Deux danseurs sur une même scène : l'un tire son partenaire d'un côté, l'autre dans la direction opposée. Dans le cristal Cu2(OH)3Br, connu sous le nom de botallackite, les atomes de cuivre s'alignent en chaînes où les spins (moments magnétiques) des ions voisins s'orientent soit parallèlement, comme dans un ferromagnétique, soit antiparallèlement, comme dans un…

Dans le cristal en couches CrSBr, les moments magnétiques des atomes sont alignés comme des notes sur une partition : au sein de chaque couche, ils pointent dans la même direction, mais d'une couche à l'autre, ils pointent en sens opposés. Cette mélodie antiferromagnétique résonne jusqu'à 132 kelvins, au-delà, l'agitation thermique détruit l'ordre.

Le champ magnétique agit généralement comme un agent de circulation strict : pour que la chaleur se transforme en électricité, il doit se placer en travers de la route. Si le champ est aligné avec le flux de chaleur, l'effet disparaît – c'est ce que l'on croyait depuis des décennies.

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.

Dans une casserole de soupe bouillante, les petites gouttelettes de graisse remontent à la surface, tandis que les morceaux de légumes plus lourds tombent au fond.

Dans la couronne solaire, il pleut de temps en temps — mais pas de l'eau, du plasma. Le gaz surchauffé se refroidit, se condense en amas et s'élance vers le bas le long des boucles magnétiques, comme des gouttes sur des gouttières invisibles.

Le courant ionique à travers la membrane ressemble à une file d'attente devant un tourniquet. Parfois le tourniquet est libre — les ions passent rapidement. Parfois il se bloque — le flux diminue. Un champ magnétique faible, comme on l'a découvert, ne pousse pas les ions dans le dos, mais modifie simplement le nombre de tourniquets ouverts.

Une cascade qui ne se réchauffe pas en tombant mais qui gèle : c'est à peu près ce que fait le gaz qui s'écoule sur une étoile à neutrons dans un pulsar à rayons X lorsque l'étoile brille faiblement. D'habitude, la matière qui tombe s'échauffe jusqu'à devenir incandescente, mais une nouvelle étude montre l'inverse.

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.

Au plus profond de la Terre, le fer est chauffé à blanc, et la pression y est telle qu'un instrument ordinaire serait écrasé comme une crêpe. Pour explorer ce monde, des physiciens ont mis au point un microscope spécial basé sur de minuscules défauts dans le diamant (les centres NV).

L'inflation est l'expansion ultra-rapide de l'Univers dans ses tout premiers instants. Elle a été provoquée par un champ semblable à une boule dévalant une colline. Mais à côté, il pourrait y avoir eu une seconde boule, presque imperceptible. Les auteurs de l'étude ont examiné précisément ce cas : un champ léger (l'axion), figé au sommet de son potentiel.

Au plus profond de la Terre, dans l'épaisseur du granit, des détecteurs capturent de rares visiteurs venus du cosmos — des muons. Ces particules naissent en haute atmosphère lorsque les rayons cosmiques percutent les noyaux des atomes de l'air.

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 supraconducteur ressemble à une ronde électronique parfaite : les électrons se déplacent par paires sans perdre d'énergie, comme des danseurs qui ne perdent jamais le rythme. Mais ajoutez quelques impuretés magnétiques, et des intrus s'invitent dans la ronde, perturbant le mouvement synchronisé.

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 ?

Une barre métallique chauffée devient soudainement rigide et perd ou gagne des propriétés magnétiques. Dans les alliages à base de nickel et de manganèse, ces transformations ne se produisent pas progressivement mais par sauts : les atomes se réorganisent dans un nouvel ordre et le matériau change de comportement.

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.

Une casserole d'eau sur la cuisinière : plus le feu est vif, plus vite la glace devient de l'eau, et l'eau de la vapeur. La chaleur détruit l'ordre. Mais parfois, la nature nous joue un tour : sous l'effet de la chaleur, un liquide se fige, comme une flaque par grand froid.

Une pile de plaques magnétiques, où chaque couche est aimantée dans le sens opposé à sa voisine, forme un sandwich feuilleté dans lequel les électrons se déplacent comme un organisme unique. Tout le matériau se met alors à imiter l'axion, cette particule fantôme que les physiciens soupçonnent d'être la matière noire.

Un cristal semblable à une pile de crêpes a été déposé sur un substrat lisse en oxyde de magnésium. On a obtenu une pellicule épaisse de quelques centaines d'atomes. Lorsqu'on y a fait passer un courant et qu'on a activé un aimant, la résistance a augmenté de près d'un quart — de 22,5 % sous un champ de 9 teslas.

Des centaines de personnes sur une piste de danse se tiennent à égale distance les unes des autres — un ordre strict, comme dans un réseau cristallin. La musique lente représente les vibrations thermiques, qui font doucement tanguer les danseurs. Si la musique devient plus forte et plus rapide, l'ordre s'effondre : tout le monde se mélange.

Sur une étoile à neutrons — le résidu ultra-dense d'une étoile qui a explosé — du gaz tombe en permanence. Ce gaz s'accumule aux pôles magnétiques et y forme une montagne. Mais une montagne sur une étoile à neutrons ne ressemble pas à une montagne terrestre : elle n'est pas maintenue par de la roche, mais par les lignes de force du champ magnétique, comme de la limaille de fer sur un aimant.

Le cristal de fer ressemble à une mosaïque de nombreux grains étroitement tassés. Là où un grain rencontre un autre, apparaît un joint — une couture étroite avec un ordre perturbé. C'est précisément dans ces coutures que se cachent des surprises pour le magnétisme. Les scientifiques ont calculé comment les atomes de fer interagissent entre eux sur trois types de ces joints.

Le cristal de ferrite de strontium ressemble à un immeuble à plusieurs étages, où des atomes de fer habitent à chaque étage. Certains étages « regardent » vers le haut, d'autres vers le bas, et leurs champs magnétiques s'annulent partiellement.

Le plasma cosmique n'est pas un gaz calme, mais une soupe bouillonnante de particules chargées, traversée par des champs magnétiques. Ces champs se comportent comme des élastiques tendus : parfois ils se déchirent et se reconnectent aussitôt, mais d'une manière différente.

L'effet Mpemba surprend : l'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau froide. Des scientifiques ont construit un modèle simple : une bille dans un milieu épais comme du miel, sur un paysage à deux creux et un mur sur le côté. La bille se déplace de manière visqueuse, sans franchir la bosse centrale.

L'eau dans une bouilloire bout à cent degrés, mais si on la comprime fortement, elle se comporte différemment. De la même manière, les quarks et les gluons — les briques qui composent les protons et les neutrons — changent de propriétés sous l'effet d'un champ magnétique intense.

Environ 380 000 ans après le Big Bang, l'Univers a atteint une température où les électrons et les protons ont pu, pour la première fois, s'unir en hydrogène neutre.

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.

Un morceau d'alliage d'europium et d'indium, refroidi sous champ magnétique, se comporte comme de l'eau qui ne gèle pas d'un coup, mais d'abord dans un coin du verre, puis dans un autre.

Le réfrigérateur magnétique du futur ne ronronnera pas avec un compresseur. Il refroidira les aliments grâce au fait qu'un matériau spécial chauffe dans un champ magnétique et refroidit lorsque le champ est retiré.

Le cristal modifie sa géométrie interne, comme la charpente d'un bâtiment qui se déforme légèrement lors d'un tremblement de terre.

Un laser puissant frappe une minuscule cible, qui se transforme instantanément en un nuage de gaz surchauffé, du plasma. Dans ce nuage naissent spontanément des champs magnétiques. Comme des mains invisibles, ils empêchent la chaleur de s'échapper librement du centre brûlant.

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.

Les moments magnétiques dans un cristal ressemblent à des aiguilles de boussole fixées aux nœuds du réseau. À l'état normal, ils s'alignent dans un ordre soigné, mais si l'on frappe le cristal avec une onde électromagnétique, les aiguilles se mettent à osciller – comme des épis de blé sous le vent.

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 champ magnétique ressemble à l'ombre d'un objet : il change avec la forme de la source. Mais si l'on place une lentille sur le trajet de la lumière, on peut modifier l'ombre.