magnétisme quantique

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 l'atelier de la nature, il existe une étrange machine : elle taille des filetages sur des vis, mais interdit le pas à gauche. On peut visser une vis aussi fort qu'on veut, dans le sens horaire, mais pas dans le sens antihoraire.

Une échelle dont les barreaux sont de minuscules aimants. Si les aimants voisins pointent dans des directions opposées, l'échelle est « calme ». Mais si on les force à pointer dans la même direction, toute la structure s'aimante et devient « têtue ».

Une minuscule bille aimantée flotte dans le vide, maintenue par des champs invisibles. Elle se met à tourner autour de l'axe du champ magnétique — tout comme une toupie qu'on aurait légèrement poussée. C'est la précession. Mais lorsque la bille devient très petite, les lois quantiques entrent en jeu.

Un parquet où chaque deuxième lame est posée dans le sens inverse semble symétrique. Mais si on passe la main, dans un sens les doigts glissent sur les fibres, dans l'autre ils accrochent. C'est à peu près ainsi que fonctionne un nouveau type de magnétisme étudié dans le cristal AgCrP2S6. Dans ce matériau stratifié, les atomes de chrome sont alignés en longues chaînes, comme des fils de perles.

À l'intérieur des planètes et des étoiles, dans les océans de plasma en rotation, se heurtent flux turbulents, forces de Coriolis et tension magnétique. Le grand mystère est de savoir comment l'énergie de ce chaos se cristallise en une charpente magnétique stable, capable de perdurer des milliards d'années.

Un fluide superfluide s'écoule sans frottement, comme une eau qui ne s'arrête jamais. Mais si on le fait tourner, il ne se contente pas de tourner : chaque minuscule vortex se souvient de la manière exacte dont il a été mis en rotation.

Le monde du magnétisme a longtemps été dominé par une dichotomie simple : les ferromagnétiques, où les spins pointent dans une même direction, et les antiferromagnétiques, où ils s'alignent en damier, se compensant mutuellement.

Juste après le Big Bang, le cosmos était un plasma brûlant — un mélange de particules chargées et de lumière.

Un aimant ordinaire ressemble à une boussole : l'aiguille pointe vers le nord. Mais une boussole quantique peut regarder dans les deux directions à la fois.

Le champ magnétique augmente, mais l'aimantation reste figée. Comme une balance sur laquelle on ajoute des poids sans que l'aiguille ne bouge, jusqu'à ce qu'il y en ait assez pour sauter à la graduation suivante. C'est exactement le comportement des cristaux de tétraborures de terres rares, et les physiciens n'ont pas compris pourquoi pendant des décennies.

Une poignée de pièces de cuivre éparpillées sur un treillis triangulaire se fige dans un ordre étrange lorsqu'on y fait passer un courant. C'est à peu près ce que font les minuscules aiguilles magnétiques — les spins des électrons — dans un cristal au nom rare : la Y-kapellasite.

Un jongleur lance des massues en étant assis sur une chaise tournante. S'il se met à faire tourner les massues toutes dans le même sens, la chaise partira dans le sens opposé — sinon la loi de conservation de la rotation serait violée.

Une poignée de grains de riz tombe sur une poêle brûlante — et les voilà qui sautillent. Chaque grain pousse ses voisins, tout le tas s'agite sans intervention extérieure. C'est cela, la matière active : une multitude de particules qui puisent elles-mêmes de l'énergie et la transforment en mouvement.

Une petite bille à noyau de fer repose sur une surface, et un champ magnétique tourne autour d'elle. La bille se met à rouler comme une roue, et en général elle va dans le sens de rotation du champ. Mais parfois, elle fait soudainement demi-tour et roule dans l'autre sens — à contre-courant.

Un aimant minuscule, assemblé à partir de seulement deux molécules, s'est posé sur une surface métallique — et s'est comporté comme un chef d'orchestre capricieux. D'habitude, les électrons dans un métal se déplacent de manière coordonnée, comme une foule sur un escalator. Mais lors d'un refroidissement intense, cet ordre se brise et le mouvement devient imprévisible.

Un magnétar est une étoile à neutrons dont le champ magnétique est des centaines de millions de fois plus intense que celui de la Terre. Si l'on approchait un aimant ordinaire d'un tel champ, il serait instantanément démagnétisé, et les atomes s'étireraient en de fins filaments.

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. À l'intérieur, comme dans un minuscule aimant, il possède sa propre distribution d'aimantation. Jusqu'à présent, il était difficile de l'observer : les noyaux vivent des fractions de seconde à peine, et leur champ magnétique est faible.

Un aimant plat, c'est comme une feuille mince sur laquelle courent des ondes d'aimantation. Dans des conditions normales, ces ondes s'atténuent rapidement, mais si on applique un champ magnétique intense, un signal inattendu apparaît dans le matériau — net et étroit, telle l'ombre de l'onde principale.

Un anneau d'atomes magnétiques évoque une ronde où chaque participant tient ses voisins par la main. Dans les aimants ordinaires, chaque atome possède son propre moment magnétique permanent, et ils interagissent comme de petites aiguilles qui cherchent à s'aligner en sens inverse.

Les atomes magnétiques dans un solide ressemblent à des aiguilles de boussole : d'habitude, en refroidissant, ils s'alignent dans une même direction — c'est ainsi qu'apparaît le magnétisme. Mais dans le composé TbInO3, les aiguilles de terbium sont disposées sur un réseau triangulaire, où il est impossible de satisfaire tous les voisins à la fois.

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.

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.

Une rivière tranquille qui se met soudainement à bouillonner sans raison apparente : c'est l'énigme qu'ont explorée les auteurs de cette nouvelle étude. Ils ont pris une fine couche de gaz chargé avec un champ magnétique très faible et ont suivi sur ordinateur ce qui lui arrive. Au début, tout s'écoule régulièrement, comme l'eau d'un robinet.

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.

Dans un aimant ordinaire, tous les spins des électrons (les petites « flèches » magnétiques internes, découvertes par Wolfgang Pauli) pointent dans la même direction. Les altermagnets, comme le MnTe, sont plus complexes : l'orientation de ces flèches alterne, telle une ondulation à la surface de l'eau après qu'on y a jeté une pierre.