spin

Un aspirateur aspire la poussière, même si elle est plus abondante près du suceur. Il en va de même dans un tokamak : les particules de plasma sont attirées vers le centre, alors que leur densité est plus élevée au bord. Ce phénomène est appelé « pinch de particules », et il contredit la règle habituelle selon laquelle tout tend à se déplacer d'une zone dense vers une zone raréfiée.

Dans certains cristaux, les électrons ne sont pas répartis uniformément, mais s'organisent en un strict damier : sur une case, il y a plus d'électrons, sur la case voisine, moins. Ce motif est appelé ordre de charge, et on l'a longtemps considéré comme quelque chose de figé, un peu comme les motifs sur une vitre givrée.

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.

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.

Le champ magnétique terrestre n'est pas constant : il tremble sous l'effet du vent solaire, des orages lointains, du métro. Pour remarquer ces tremblements, il faut un instrument qui ne tremble pas lui-même. Des physiciens ont assemblé un tel instrument à partir d'atomes d'ytterbium refroidis presque au zéro absolu.

Un vortex magnétique ressemble à un petit tourbillon dans la mer, mais au lieu de l'eau, c'est l'aimantation qui tourne. Ces vortex pourraient devenir des cellules de mémoire dans les ordinateurs du futur, mais pour écrire et lire des informations, il faut pouvoir déplacer chaque vortex individuellement.

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.

On chauffe lentement un aimant. À basse température, toutes ses minuscules flèches de spin pointent dans la même direction — c'est l'ordre. À haute température, elles s'agitent de manière chaotique. Mais il existe un point particulier, le point critique, où l'ordre vient tout juste de disparaître et où le système reste figé dans l'indécision.

Dans un nuage d'atomes ultrafroid, refroidi à une température proche du zéro absolu, apparaissent des régions avec des orientations de spin différentes — comme des zones avec des aimantations différentes. Les frontières entre elles sont appelées parois de domaines.

Un atome d'erbium isolé repose sur un substrat d'argent, et son spin — la rotation interne de l'électron — stocke l'information quantique. Auparavant, pour inverser ce spin, il fallait une impulsion magnétique : un outil grossier qui affecte les voisins et fonctionne lentement.

Une pierre lancée contre un mur rebondit. Dans le monde quantique, une particule peut le traverser de part en part, comme si le mur était tissé de brume. C'est l'effet tunnel quantique : il allume les étoiles, opère dans les puces électroniques et même dans les cellules de notre corps.

Un faisceau laser ressemble à un tourbillon rapide qui capture un instant un électron qui passe. Pendant que la particule traverse l'impulsion, son spin (la rotation propre, comme celle d'une petite toupie) subit une faible poussée.

Des balances ultra-sensibles tentent de déceler la différence entre deux grains de sable presque identiques. L'un est le reflet parfait de l'autre, comme dans un miroir. Dans le monde des particules élémentaires, ce reflet miroir est appelé parité P, et sa violation est l'une des plus grandes énigmes de la physique.

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.

Lorsque deux noyaux lourds entrent en collision dans un accélérateur, il se forme une minuscule boule de feu de plasma quark-gluon (un état particulier de la matière où les quarks et les gluons ne sont pas confinés à l'intérieur des particules).

Un interprète sursaute au moindre bruit dans la salle — et une réunion d'une heure s'étire sur deux. Une intonation de travers et le sens change du tout au tout. C'est à peu près ce que vit une particule de spin 3/2 — le gravitino. Elle ne peut pas exister en solitaire : son « discours » doit être parfaitement accordé à son environnement, sinon tout l'édifice s'effondre.

Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre, se rapprochant progressivement. Leur danse perd de l'énergie, et cette énergie s'échappe dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles, et parfois d'autres champs.

Le courant sans pertes — le rêve de l'énergie. Certains matériaux deviennent supraconducteurs, mais généralement seulement à des températures extrêmement basses. Récemment, dans la famille des nickelates — des composés à base de nickel — on a découvert des candidats qui fonctionnent à des températures plus élevées.

Un fil quantique ressemble à une autoroute où les électrons circulent en flot dense. Chacun possède sa propre rotation, le spin, et jusqu'ici on pensait qu'il était presque impossible de séparer ce flux en deux voies, pour les spins « gauche » et « droit », sans perdre l'ordre quantique. Il fallait soit de puissants aimants, soit des astuces complexes avec perte d'énergie.

Un nuage d'atomes froids est piégé entre deux miroirs. On y fait passer de la lumière, et les atomes se mettent à émettre collectivement — cet effet est appelé superradiance. Mais les atomes ne se contentent pas de « briller » : leurs spins (les aiguilles magnétiques internes) interagissent avec la lumière de deux manières différentes.

Une chaîne quantique ressemble à une guirlande lumineuse où les ampoules sont les spins des particules. Idéalement, toutes les ampoules clignotent en synchronie, suivant un rythme commun — c'est la symétrie. Mais si l'on coupe un morceau de la guirlande, le rythme peut se dérégler : à l'intérieur du segment, la symétrie est brisée.

Un courant électrique ordinaire chauffe les fils – tout le monde le sait, pour avoir touché un chargeur de téléphone. Mais il existe un courant d'une autre sorte : les électrons n'y courent pas en foule dans une même direction, mais tournent de manière synchronisée, comme des patineurs en couple.

L'anneau est assemblé à partir de plusieurs segments différents. Dans chaque segment, les particules se comportent à leur manière, comme des musiciens jouant des notes différentes. Le plus intéressant se passe aux jonctions : ici, les particules ont tendance à se bloquer, comme un écho prisonnier d'un couloir étroit.

L'espace n'est pas un vide, mais une mosaïque de cellules minuscules. En gravité quantique à boucles, la courbure de l'espace-temps passe d'une feuille lisse à un réseau d'« atomes » de volume : les réseaux de spins. Chaque nœud de ce réseau est un quantum d'espace, et les liens entre eux sont des quanta de surface.

En 2022, des physiciens ont décrit un nouveau type de magnétisme : l'altermagnétisme. Dans celui-ci, les électrons ayant des directions de spin différentes se séparent en énergie selon leur direction de mouvement, comme des coureurs qui accélèrent sur une piste et ralentissent sur une autre. Mais le spin n'est pas le seul degré de liberté des particules.

Dans un solide, les électrons sont généralement soit libres de se déplacer (métal), soit piégés sur place (isolant). Mais parfois, une forte répulsion mutuelle les enferme dans un état intermédiaire : les charges restent figées, tandis que les spins – ces petites aiguilles magnétiques – continuent de vivre leur vie.

Chaque atome dans un aimant est comme une minuscule aiguille de boussole. Ces aiguilles peuvent pointer dans différentes directions, et de leur danse collective dépendent les propriétés de tout le matériau. Mais calculer cette danse directement, atome par atome, est une tâche herculéenne, même pour les superordinateurs. Le nouveau modèle, nommé STEP, endosse le rôle de chef d'orchestre.

Un escalier en colimaçon sur lequel roulent des billes. Les unes tournent à droite, les autres à gauche. Les marches sont disposées de telle sorte que les billes qui tournent à droite passent plus vite, tandis que celles qui tournent à gauche restent coincées. C'est à peu près ce qui se passe à l'intérieur des molécules hélicoïdales — par exemple, dans la double hélice de l'ADN.

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.

En 1915, Albert Einstein et Wander Johannes de Haas ont montré que lorsqu'on aimante une barre de fer, celle-ci tourne légèrement — le moment angulaire des électrons est transmis au réseau cristallin.

Pendant longtemps, identifier les phases quantiques ressemblait à un interrogatoire : il fallait explorer chaque recoin du système pour en soutirer le secret. À l'époque de Lev Landau, l'ordre était lié à la brisure de symétrie et à un paramètre local — tout était clair comme de l'eau de roche.

La recherche du minimum global dans le modèle de verre de spin de Sherrington–Kirkpatrick évoque l'ascension d'un glacier où chaque crevasse est un minimum local perfide, et le véritable fond est enseveli sous le chaos des blocs de glace. L'alpiniste classique, qui progresse le long du gradient, risque fort de geler dans la première fissure venue.

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

Dans la grande symphonie de l'électromagnétisme, un duo a longtemps régné : le ferromagnétisme tonitruant et l'antiferromagnétisme silencieux, où les spins solistes s'annulent mutuellement. Mais récemment, une troisième voix a rejoint l'ensemble : l'altermagnétisme.

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.

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.

Créer un nœud de réseau quantique, c'est un peu comme apprendre à un danseur à tenir en équilibre sur un fil de carbone au-dessus d'un gouffre. Une jambe doit se détacher facilement du support, lançant des photons-messagers vers le monde extérieur.

Les fusions de trous noirs, prédites par Karl Schwarzschild, sont la principale source d'ondes gravitationnelles captées par les détecteurs LIGO.