magnétisme de motif de moiré

Une serrure avec deux clés différentes : l'une tourne facilement, l'autre demande un effort notable. C'est ce que l'on observe avec deux couches de nitrure de bore hexagonal lorsqu'on les fait pivoter l'une par rapport à l'autre.

Une feuille de papier laissée sur une table mouillée se gondole et ses bords se soulèvent. Personne ne contrôle ce mouvement, mais il obéit aux mêmes lois que la croissance des plantes : certaines zones de la feuille se contractent plus que d'autres, et la forme plate se transforme en volume.

Un jeu de cartes où chaque carte est légèrement tournée ne peut pas reposer à plat : les dos et les motifs ne coïncident jamais. Mais si les cartes sont souples, elles commencent à s'ajuster, se décalant de fractions de millimètre pour trouver la correspondance parfaite.

Une autoroute où les flux opposés sont séparés non seulement par des côtés différents, mais par deux routes indépendantes — chacune avec sa propre entrée et sortie. C'est un peu ce qui se passe avec les électrons dans un nouveau type d'isolant topologique décrit par les auteurs de l'étude.

D'ordinaire, la lumière ne fait pas d'un isolant un conducteur – il faut de puissantes impulsions laser qui brisent la structure du matériau. Mais dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, tout est différent.

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.

À l'intérieur d'un cristal se déroule un ballet invisible : les moments magnétiques des atomes, tels des danseurs, tantôt s'alignent à l'unisson, tantôt se dispersent en opposition de phase. La chorégraphie est dictée par l'échange quantique — une musique sensible à la géométrie des liaisons.

Une feuille de papier quadrillée, une feuille en losanges et une feuille en nid d'abeille : trois univers différents pour une fourmi. Changez la feuille, et les règles du mouvement changent. C'est à peu près ainsi que les électrons perçoivent le réseau cristallin : la géométrie dicte s'ils seront des aimants, des supraconducteurs ou autre chose.

Chaque électron est un minuscule aimant. Dans une couche de chlorure de fer d'un atome d'épaisseur, ils s'orientent tous dans la même direction, comme des danseurs dans un numéro parfaitement synchronisé. D'habitude, la nature évite un tel ordre (c'est ce qu'on appelle la haute entropie), mais les forces quantiques les contraignent à obéir.

Une immense piscine remplie d'eau. Dans un coin, une réaction chimique doit être calculée avec une précision de joaillier. Mais l'eau autour n'est pas qu'un décor : ses molécules se bousculent, s'attirent et influencent la réaction. Comment prendre en compte cette ronde infinie de particules sans se noyer dans les calculs ?

Une file de personnes qui se tiennent par la main mais regardent dans des directions opposées : certaines vers le nord, d'autres vers le sud. C'est ainsi qu'est structuré un aimant à ondes p. Les électrons y alignent leurs moments magnétiques (spins) non pas de manière aléatoire, mais selon un motif ondulatoire strict.

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.

Deux feuilles de papier superposées, lorsqu'on les chauffe, commencent à ramper imperceptiblement l'une sur l'autre. C'est à peu près ce que font les couches de disulfure de molybdène, un matériau d'un atome d'épaisseur. À température ambiante, elles glissent spontanément à une vitesse d'environ un mètre par seconde.

L'oxyde de ruthénium a longtemps été considéré comme un altermagnétique modèle — un matériau où les moments magnétiques des atomes voisins sont opposés, mais ne se compensent pas complètement en raison de la symétrie particulière du cristal. De nouvelles mesures montrent qu'à l'intérieur du cristal, il n'y a aucun 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.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est suspendue dans l'air, comme un drap tendu. Des ondes de chaleur la parcourent — des vibrations d'atomes que les physiciens appellent phonons. On pensait auparavant que ces ondes se dissipaient rapidement en raison de fortes interactions, et que la chaleur se transmettait mal.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme un treillis métallique flexible sur lequel les électrons se déplacent presque sans obstacle. Empilez deux de ces feuilles avec un léger décalage, et les propriétés du matériau changent radicalement : il peut devenir un isolant qui ne laisse pas passer le courant.

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

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.

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.

Deux couches d'un matériau magnétique, tournées l'une par rapport à l'autre de quelques fractions de degré, comme deux grilles légèrement décalées sur une fenêtre. Dans leur état normal, elles ne produisent rien de particulier, mais à un certain angle de rotation, un effet inattendu apparaît dans le matériau.

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.

Un supraconducteur ordinaire expulse le champ magnétique, mais cet anneau, au contraire, le crée à l'intérieur de lui-même. L'anneau est fait d'un matériau Fe(Te,Se) — un composé de fer, de tellure et de sélénium qui, à très basse température, perd sa résistance électrique.

Dans un solide, les atomes vibrent et transmettent le son. Parfois, cette onde ne se propage pas en ligne droite mais s'enroule en spirale, comme un tire-bouchon qui s'enfonce dans un bouchon. Dans les cristaux ordinaires, ces « tourbillons sonores » sont connus, mais dans les matériaux magnétiques, on ne les avait jamais vus.

Selon des théories qui vont au-delà du modèle standard, dans les tout premiers instants après le Big Bang, des paires de monopôles magnétiques — des particules avec un seul pôle magnétique — auraient été créées. Elles se seraient retrouvées aux extrémités d'une corde cosmique, un fil d'énergie pure.

Les altermagnets évoquent une salle de bal où les couples tournent dans des directions opposées : la salle elle-même est immobile, mais à l'intérieur bouillonne un mouvement ordonné. De même, les spins électroniques (leur sens de rotation) dans ces matériaux forment des motifs complexes sans créer de magnétisme global.

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 morceau d'or n'attire pas les trombones. Mais si l'on prend un film mince d'un alliage de gadolinium, d'or et de germanium et qu'on commence à le courber, des régions magnétiques peuvent y apparaître. Les scientifiques ne l'ont pas fait avec leurs mains, mais à l'aide d'un flux d'ions hélium qui pénétrait dans le matériau à travers un masque à motifs.

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.

Les couches d'atomes torsadées dans un matériau forment un motif de minuscules zones — les domaines, chacun pouvant être électrisé dans l'une des deux directions, comme l'aiguille d'une boussole pointant vers le nord ou le sud.

Le cristal CeRh₂As₂ se comporte comme un interrupteur : refroidissez-le, et il devient supraconducteur ; approchez ensuite un aimant, et il bascule brusquement dans un autre état supraconducteur. Un comportement rare : la plupart des supraconducteurs n'ont qu'un seul état, mais ici il y en a deux, séparés par une frontière nette.

Un minuscule aimant composé de couches de soufre, de chrome et de brome repose sur la platine d'un microscope. À l'intérieur, tels des invités imprévus, se trouvent des atomes d'erbium, un métal des terres rares. Ces atomes peuvent émettre de la lumière lorsqu'on les éclaire avec un laser, et leur lumière révèle ce qui se passe autour d'eux.

Lorsqu'on refroidit le cristal Fe₄Nb₂O₉ à -272°C, il adopte un motif magnétique où les aiguilles atomiques ne s'alignent pas en rangées, mais s'évasent en éventail. C'est comme si une foule se figeait, chacun regardant dans une direction différente au lieu de fixer la nuque de son voisin.

Le cristal de RbMn6Bi5 ressemble à un immeuble de cinq étages d'atomes de manganèse, où les occupants de chaque étage forment un pentagone. À température ambiante, les moments magnétiques des atomes oscillent de manière chaotique, comme des aiguilles de boussole pendant une tempête magnétique.

Le cristal a été refroidi à moins 228 degrés Celsius, et un motif est apparu à sa surface, comme du givre sur une vitre. Mais ce n'est pas l'humidité qui le dessine, c'est le champ magnétique : de minuscules particules de fer en suspension dans un liquide se déposent sur les zones aimantées et révèlent leur emplacement.

Une boussole ordinaire se fige lorsqu'un éclair frappe à proximité. La brusque variation du champ magnétique déroute l'aiguille. Un problème similaire gênait les scientifiques pour mesurer le magnétisme des matériaux dans des champs pulsés intenses, ceux qui s'activent en un millième de seconde.

Le graphène est une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur. Si on la découpe en fines bandes, on obtient des nanorubans de graphène. Leurs propriétés dépendent de la façon dont la bande est taillée : comme avec un même morceau de tissu, on peut coudre une nappe lisse ou une jupe plissée. Dans ces nouveaux travaux, des chimistes ont assemblé un ruban de forme asymétrique.

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.

En 1903, Fritz Heusler découvrait l'alliage Cu₂MnAl, qui se comportait comme un aimant alors qu'aucun de ses métaux constitutifs ne l'était. Depuis, la famille des alliages de Heusler s'est étendue à trois mille composés, et parmi eux, Co₂FeGe attire l'attention des physiciens par sa température de Curie élevée et ses perspectives en spintronique.