magnon

Une salle des miroirs déformants : vous êtes au centre, et l'écho de votre voix revient d'un côté inattendu, amplifié et distordu. Ainsi les ondes de spin dans un mince film magnétique, excitées par une antenne, se réfléchissent sur les défauts et les irrégularités, créant un tableau de champs embrouillé.

Dans un film mince de cobalt et de fer déposé sur un substrat de silicium, un minuscule tourbillon magnétique se forme. Il ne se disperse pas, mais reste en place, comme une goutte d'huile sur une poêle chaude. Mais au lieu de la chaleur, c'est un courant électrique qui le maintient, envoyé à travers un étroit passage large d'une centaine d'atomes.

Un cristal, c'est un peu comme une ville avec différentes rues : sur certaines, les voitures roulent vite et loin, sur d'autres, elles avancent lentement et s'enlisent. Dans le matériau stratifié CrPS₄, les ondes magnétiques qui transportent le spin (le moment propre des particules) se comportent de la même manière.

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.

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 caillou tombe dans un étang — et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Dans le monde quantique, l'étang n'est pas fait d'eau, mais d'une multitude de particules identiques, et le caillou est aussi une particule, mais étrangère. Une telle particule étrangère est appelée polaron de Fermi.

Chaque particule quantique possède un spin — une propriété magnétique intrinsèque, comme une minuscule aiguille. Dans une expérience, un faisceau de telles particules traversant un aimant se sépare en deux parties — comme une pièce qui retombe sur pile ou face.

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.

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.

Si l'on comprime une plaque avec des cellules en accordéon, une onde de pli la parcourt — comme un pli qui se propage sur un tapis quand on le pousse du pied. Ces ondes savent faire basculer le matériau entre deux formes stables, et c'est sur ce principe que l'on construit la mémoire mécanique. Mais si un pied de table se trouve sur le chemin du pli, celui-ci se coince.

Dans le monde microscopique, il y a toujours du bruit. Même dans le vide absolu, quelque chose tremble, et ces fluctuations quantiques gênent les mesures précises. Mais on peut « comprimer » le bruit, comme un ballon de baudruche : si on le serre sur les côtés, un côté devient plus fin, mais l'autre gonfle.

Si l'on jette une pierre dans un étang, des cercles se propagent à la surface. Dans un minuscule cristal magnétique, il y a aussi des ondes — mais ce n'est pas l'eau qui oscille, c'est la direction de l'aimantation. Ces ondes sont appelées ondes de spin. Elles parcourent le cristal comme des rides à la surface et peuvent transporter de l'information.

Une impulsion laser frappe un cristal d'oxyde de cuivre, et des ondes d'excitation magnétique — les magnons — se propagent à travers lui comme des ronds dans l'eau.

Un ballon de football frappé avec effet ne suit pas une trajectoire rectiligne, mais incurve sa course sur le côté. C'est à peu près ce qui se passe avec un faisceau lumineux fortement focalisé : il commence à pousser l'atome non seulement vers l'avant, mais aussi sur le côté.

Les ondes dans les aimants ressemblent aux vibrations d'une corde : si l'on pince une corde, elle émet une note unique, mais sous une forte excitation apparaissent des harmoniques — des sons à des fréquences multiples.

Les matériaux magnétiques peuvent stocker l'énergie des oscillations, un peu comme un diapason qui continue de vibrer après avoir été frappé. Si l'on place un tel matériau dans une cavité micro-onde, ses oscillations (les magnons) commencent à interagir avec la lumière (les photons).

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.