liquide de spin quantique

La molécule de triptycène évoque une étoile à trois branches rigides. Lorsqu'on dépose ces étoiles sur une surface de plomb, elles s'organisent spontanément en un motif qui rappelle un panier tressé : triangles et hexagones alternent, et à chaque nœud se trouve non pas une étoile, mais une paire.

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.

Le cristal d'herbertsmithite, semblable à un gâteau en couches de cuivre et de bore, se comporte comme une échelle : les spins du cuivre sont alignés en deux lignes parallèles reliées par des barreaux.

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 gaz superfluide, c'est comme une foule qui marche au même pas : chaque atome sait où aller et ne dévie pas du rythme commun. Mais cette foule a trois « vallées » — trois directions différentes qu'elle peut prendre.

Le cristal PbCuTe₂O₆ évoque une toile tridimensionnelle tissée de cuivre, de tellure et d'oxygène. À l'intérieur, les moments magnétiques (de minuscules flèches associées aux spins des électrons) sont si intrigués qu'ils ne parviennent pas à s'aligner dans un ordre conventionnel, même au voisinage du zéro absolu.

Dans un monde emprisonné dans un réseau cristallin et refroidi presque au zéro absolu, la matière sait dissimuler ses plus grands secrets.

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.

Dans l'image habituelle de Heisenberg, les spins, à basse température, doivent s'aligner en un motif strict. Mais certains cristaux — comme le pyrochlore — où la géométrie rend son verdict.

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.

La spintronique promet de transmettre l'information non par la charge mais par le spin, débarrassant la microélectronique de son ennemi principal : la chaleur de Joule.

Une fine pellicule magnétique ressemble à un rang de soldats de plomb munis de minuscules aiguilles aimantées. Dans un monde plat, les secousses thermiques ne tardent pas à rompre ce rang : le moindre échauffement détruit l'ordre. C'est ce qu'énonce l'interdiction de Mermin–Wagner : en deux dimensions, une symétrie continue ne survit pas à température finie.

Dans un monde qui tend vers le chaos, le rythme naît parfois. La réaction chimique de Belousov-Jabotinsky fascine depuis des décennies : dans une éprouvette, des vagues colorées courent toutes seules, comme un organisme vivant qui respire la matière.

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.

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.

Le sucre s'est dissous dans le thé, puis, d'un seul geste, il se rassemble dans la cuillère. Dans une cuisine ordinaire, on ne voit jamais cela – la viscosité et le désordre l'empêchent. Mais dans le monde des mouvements ultra-lents, où l'inertie disparaît, de tels tours deviennent réalité.

Dans un cristal ordinaire, les atomes sont alignés en rangées régulières, comme des soldats sur un terrain de parade. Toute déviation de cet alignement est généralement considérée comme nuisible : le désordre disperse les ondes et éteint rapidement les mouvements collectifs des particules.

À l'intérieur d'un supraconducteur, le champ magnétique s'enroule généralement en tubes – des vortex, chacun portant un quantum de flux magnétique. C'est ainsi qu'est constitué le réseau classique d'Abrikosov. Mais dans les cristaux de LiFeAs, le tableau est différent.

Selon le modèle standard, le vide n'est pas un néant, mais un océan de particules virtuelles fantomatiques. Un champ électromagnétique surpuissant, telle une tempête, arrache des paires d'électrons et de positrons à la réalité.

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.

À l'intérieur de la Terre se trouve un noyau de fer solide de la taille de la Lune. Il flotte dans du métal liquide et oscille légèrement, comme un noyau de pêche dans le fruit si on le secoue. Ces oscillations sont appelées modes de Slichter : le noyau se déplace tantôt le long de l'axe de la planète, tantôt transversalement.

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.

Les monopôles magnétiques sont comme des moitiés d'aimant qui ne peuvent pas exister seules dans un matériau ordinaire. Mais dans la glace de spin, ils apparaissent par paires, reliés par un fil invisible — la corde de Dirac.

Dans un liquide de spin, les atomes-aimants ne se figent pas : leurs aiguilles magnétiques scintillent en permanence, mais de manière coordonnée. Si cette danse s'enroule dans une seule direction, on obtient un liquide de spin chiral — un vortex quantique robuste.

Un panier tressé en bambou n'est pas qu'un simple objet du quotidien : c'est aussi un schéma précis de l'arrangement des atomes dans le cristal YMn₆Sn₆. Six atomes de manganèse forment des hexagones qui s'assemblent en un motif rappelant le kagome japonais. Dans un tel réseau, les électrons se comportent généralement tous de la même manière, comme des passagers dans un métro bondé.

Une goutte d'encre tombe dans un verre d'eau et des cercles se propagent. L'eau semble simple, mais si on regarde à l'intérieur, chaque molécule ne se contente pas d'avancer : elle tourne aussi sur elle-même, comme une toupie minuscule. Cette rotation propre des particules, les physiciens l'appellent le spin.

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.

Une goutte d'eau sur la table semble calme, mais à l'intérieur bouillonne une vie quantique. Les protons des atomes d'hydrogène sont comme de petites toupies qui tournent sans cesse. Chacun a sa propre direction de rotation.

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.

À l'intérieur d'un aimant, il existe des régions où tous les petits aimants atomiques pointent dans la même direction. Entre ces régions se trouve une zone de transition étroite où la direction de l'aimantation tourne progressivement. Cette zone est appelée paroi de domaine.

La surface du cristal du composé d'uranium UTe2 ressemble à une mer figée : à certains endroits, les électrons se déplacent librement, à d'autres, ils restent piégés près des atomes. Un microscope à effet tunnel (un instrument qui sonde la surface avec une aiguille extrêmement fine et détecte des électrons individuels) a révélé que ce paysage n'est pas dû au hasard.

Un cristal de la taille d'une moitié de boîte d'allumettes a été cultivé dans un four, où une zone fondue rampait lentement le long d'une tige, laissant derrière elle des couches parfaitement ordonnées.

Si l'on chauffe un cristal, ses atomes se mettent à vibrer plus fort, un peu comme des cordes tendues plus ou moins fermement. Dans le cristal de LaCoO3 (un composé de lanthane, de cobalt et d'oxygène), lorsqu'on le chauffe de 2 à 650 K, deux réorganisations importantes se produisent : vers 100 K, l'état magnétique des ions de cobalt change, et vers 550 K, le matériau passe d'isolant à…

L'intrication quantique fonctionne comme une laisse : elle relie les particules, mais la longueur de cette attache est strictement limitée. Dans une chaîne de particules, la chaleur joue le rôle d'un chien impatient qui tire sur la laisse — plus il fait chaud, plus la distance à laquelle le lien tient encore est courte.

Des physiciens ont pris 114 atomes de rubidium, les ont refroidis à des températures proches du zéro absolu (comme dans les expériences avec l'hélium liquide) et les ont soigneusement disposés en un motif de nid d'abeille.

Un carrelage ordinaire forme un motif répétitif. Mais les atomes peuvent faire mieux : dans certaines conditions, ils assemblent seuls une mosaïque complexe dont le motif ne se répète jamais, comme sur les anciens panneaux de faïence.

Trois atomes d'ytterbium chargés sont disposés en triangle à l'intérieur d'un piège électromagnétique. Normalement, ils communiquent tous entre eux, comme trois personnes autour d'une table qui échangent constamment des répliques. Mais si l'un d'eux sort dans la pièce voisine, la conversation continue entre les deux autres.

Un supraconducteur ordinaire ressemble à une rangée de soldats marchant en couple : les électrons s'associent et leurs spins (les « toupies » internes) pointent dans des directions opposées. Un champ magnétique fait facilement basculer ces paires, détruisant la supraconductivité. Dans UTe₂, c'est différent.

Les aimants de ce cristal se comportent comme des invités à une fête où chacun veut s'asseoir sur la même chaise. Personne ne peut s'installer définitivement — et de ce désordre naît un état particulier. Dans cet état, le moment de spin (ce qui fait de l'électron un minuscule aimant) parvient à parcourir 480 micromètres.