magnétorésistance

Le canal annulaire en arséniure de gallium ressemble à un bassin circulaire sans rebord : les électrons entrent par la rive intérieure et ressortent par la rive extérieure. Dans un matériau ultra-pur, ils se heurtent les uns aux autres plus souvent qu'aux défauts du réseau, et se mettent à se comporter comme un liquide.

La lumière arrache des électrons au cristal, et ils s'envolent vers le détecteur comme des flèches vers une cible. En suivant leurs trajectoires, les physiciens reconstituent la vie des électrons à l'intérieur du matériau : avec quelle énergie et dans quelle direction ils se déplaçaient.

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…

Un orchestre sans chef peut sonner juste si les musiciens sentent le rythme commun. Dans le monde des solides, ce rôle est joué par les phonons : les quanta des vibrations du réseau cristallin.

Sur une route étroite, deux caravanes avancent l'une vers l'autre. L'une, large et lente, transporte une cargaison de densité. L'autre, une file de chariots légers chargés de courant, se faufile entre les premiers. Ainsi, dans la décharge d'un magnétron coexistent deux structures qui tournent en sens opposés : la raie de densité et les filaments de courant.

Dans un métal ordinaire, le courant circule comme une foule dans une rue droite : chaque électron est indépendant, et si l'on applique un champ magnétique, toute la foule se déplace légèrement sur le côté. Ce déplacement s'appelle l'effet Hall.

L'échafaudage magnétique du cristal EuMnSb2 évoque un chantier : les atomes de manganèse forment des poteaux verticaux rigides, et ceux d'europium des traverses mobiles. Jusqu'à présent, aucun consensus n'existait sur l'angle d'inclinaison de ces traverses au repos ni sur leur rotation lorsque le champ magnétique appuie sur l'échafaudage.

Dans l'aimant d'un IRM, le courant circule dans une boucle supraconductrice fermée — comme l'eau qui tourne en rond dans un seau, lancée une fois pour toutes et qui continue toute seule.

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.

Deux feuilles de graphène — des couches de carbone d'un atome d'épaisseur — sont empilées comme le pain d'un sandwich. Entre elles se trouve une couche magnétique de CrSBr. Lorsqu'un courant traverse ce sandwich, la résistance dépend de l'orientation des moments magnétiques dans la couche intermédiaire.

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.

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.

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).

Une étoile morte dont le champ magnétique est des milliards de fois plus intense que celui de la Terre : voilà un magnétar. Sa croûte se fissure, libérant dans l'espace un puissant sursaut de rayons X. Mais une partie de cette lumière ne nous parvient pas sous sa forme habituelle.

Les géantes rouges sont des étoiles vieillissantes qui ont gonflé. Dans leurs entrailles bouillonne un océan de plasma : la chaleur remonte du noyau vers la surface, engendrant des vagues semblables à un puissant ressac.

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.

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.

L'aiguille d'une boussole tourne lentement, mais à l'intérieur de certains matériaux, de minuscules moments magnétiques peuvent s'orienter en des temps difficiles à imaginer. Une équipe de physiciens a calculé comment les faire changer de direction en un millionième de milliardième de seconde. C'est plus rapide qu'un clignement d'œil.

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.

Dans un cristal d'europium, de zinc et de phosphore, le courant se comporte comme une voiture sur une route cahoteuse. Les électrons ne courent pas librement, mais traînent derrière eux des nuages magnétiques – des polarons.

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.

Lorsqu'il est fortement refroidi, le cristal d'uranium-tellure cesse d'opposer une résistance au courant. Avant cela, à une température légèrement plus élevée, sa résistance peut encore être mesurée — et elle révèle la forme des chemins invisibles que suivent les électrons.

Un aimant, comme l'aiguille d'une boussole, aime pointer dans une direction précise. Mais que se passe-t-il si le matériau est stratifié, comme une pile de crêpes ? Des scientifiques ont pris un tel aimant, composé de chrome, de germanium et de tellure, et ont voulu déterminer à quel point il « résiste » lorsqu'on tente de faire pivoter son aimantation.

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.

Dans un morceau d'oxyde de manganèse épais de quelques couches atomiques, les électrons se comportent comme une foule dans un escalator : chacun suit ses propres règles, mais ensemble ils créent un flux commun. Les physiciens ont dirigé un rayonnement X mou sur ce film et en ont arraché des électrons.

Si vous approchez un clou en fer d'un aimant, il sera attiré. À l'intérieur de l'aimant, les minuscules aiguilles magnétiques des atomes pointent toutes dans la même direction – comme des soldats au garde-à-vous. Mais dans certains cristaux, l'ordre est différent : les aiguilles voisines sont orientées dans des directions opposées.

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.

Une simple bande de caoutchouc remplie de fines limailles de fer ne se contente pas de se plier sous l'effet d'un champ magnétique — elle se noue en un nœud stable. C'est cet effet que des physiciens ont prédit et reproduit expérimentalement en travaillant avec un élastomère magnétoactif : une base en silicone contenant des particules de fer carbonyle.

Les électrons dans le cristal CrSb se comportent comme un banc de poissons : à l'intérieur du matériau, ils filent dans leurs « couloirs », et à la frontière avec le vide, ils s'organisent en motifs étranges. Ces motifs forment la surface de Fermi, la carte de toutes les vitesses permises pour les électrons.

Un aimant qui s'empile comme une pile de crêpes : c'est ainsi que l'on peut décrire le CrSBr. À basse température, chaque couche est aimantée, mais les couches voisines pointent dans des directions opposées, et leurs champs magnétiques s'annulent mutuellement.

Le cristal Ca2RuO4 ressemble à une pile de fines feuilles. À l'intérieur de chaque feuille, les spins des électrons sont alignés dans un ordre strict, comme des soldats au garde-à-vous. Entre les feuilles, la liaison est faible, et son signe peut être inversé en tirant légèrement sur les côtés du cristal.

Un aimant n'aime pas que son champ pénètre dans un supraconducteur. Un morceau de plomb ordinaire, refroidi à des températures cryogéniques, repousse les lignes de champ magnétique – et lévite au-dessus de l'aimant. C'est l'effet Meissner-Ochsenfeld, découvert en 1933.

Dans un diamant, on trouve parfois un défaut : au lieu de deux atomes de carbone voisins, il y a un atome d'azote et un emplacement vide. Ce défaut ressemble à une minuscule antenne qui réagit au champ magnétique. Des scientifiques ont dirigé un laser et des micro-ondes sur un tel diamant, et le défaut s'est mis à éjecter des électrons.

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.

Dans un cristal de fluorure de manganèse, les atomes sont alignés comme des soldats en rang. Mais à l'intérieur de cet alignement se cache un motif subtil : les moments magnétiques des atomes pointent dans des directions opposées, et ce motif change lorsqu'on fait pivoter le cristal.