courant de spin

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.

Chaque oscillateur porte sa propre boussole, intégrée au réseau cristallin. Auparavant, les nano-oscillateurs à effet Hall de spin, minuscules sources de micro-ondes fonctionnant sur un courant de spin, ne pouvaient se passer d'un aimant externe : c'était lui qui fixait l'axe commun autour duquel oscillait l'aimantation.

Une foule à l'entrée d'un couloir étroit ne se comporte pas comme dans une salle spacieuse : certains sont plaqués contre les murs, d'autres sont poussés vers l'avant. C'est à peu près ce qui se produit lorsqu'une particule allongée se retrouve dans un liquide grouillant d'haltères auto-propulsés.

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.

Sur une route étroite, deux caravanes avancent l'une vers l'autre. L'une, large et lente, transporte une cargaison de densité. L'autre, une file de chariots légers chargés de courant, se faufile entre les premiers. Ainsi, dans la décharge d'un magnétron coexistent deux structures qui tournent en sens opposés : la raie de densité et les filaments de courant.

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 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 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.

Un mince sandwich de deux matériaux différents. On y fait passer un courant électrique – et la couche supérieure s'aimante dans un sens, la couche inférieure dans le sens opposé. Ce n'est pas un tour de magie, mais l'effet Edelstein de couche (de l'anglais layer Edelstein effect), que des physiciens viennent de décrire.

Lorsque les physiciens font circuler des électrons dans un canal ultrapur d'arséniure de gallium à des températures hélium, ils s'attendent à voir un liquide docile, presque parfait.

Dans certains cristaux, les moments magnétiques des atomes oscillent de manière coordonnée, comme une vague dans un stade. Elle transporte le spin sans courant de charges, sans chauffer le matériau. Ce flux évoque une rivière invisible, silencieuse et froide.

Une soupe bouillonnante dans une casserole — mais chaque grain n'est pas un simple point, c'est une toupie minuscule qui tourne sur son axe. Tel est le monde des particules de spin 1. Par exemple, certains mésons à vie courte qui naissent lors de collisions dans les accélérateurs.

Un élastique s'étire et revient. Un ressort en acier se comprime et se détend. L'élasticité semble être une propriété des choses simples — un morceau de métal ou une goutte de gel. Mais les auteurs de ces travaux ont regardé plus loin. Ils ont montré que le spin de l'électron — sa minuscule rotation propre — peut lui aussi être élastique.

Un électron qui traverse un gaz ressemble à un nageur essayant de traverser une piscine bondée. Chaque collision avec un atome modifie sa trajectoire et sa vitesse. Dans un gaz d'argon dense, ces collisions sont si nombreuses que la description simple cesse de fonctionner.

Dans une fine couche de cristal liquide — une substance qui s'écoule comme un liquide, mais dont les molécules sont ordonnées comme dans un solide — naissent des tourbillons plus petits que l'épaisseur d'un cheveu humain. Ces tourbillons ressemblent à de minuscules toupies : ils peuvent se déplacer sans se désagréger et se comportent presque comme de vraies particules.

Dans un fil ordinaire, l'électron est comme un coursier qui porte à la fois le colis et la signature du destinataire : sa charge et son spin sont toujours ensemble. Mais si le fil est réduit à l'épaisseur d'un atome, le coursier se sent à l'étroit.

Dans la plupart des matériaux magnétiques, la paroi de domaine — la frontière entre des régions de magnétisation différente — se déplace sous l'effet d'un courant dans une direction donnée par le sens du courant. Mais dans les ferrimagnétiques, près d'un point particulier où les moments angulaires des deux sous-réseaux se compensent, le comportement change.

Au-dessus de la surface du Soleil flottent de longs rubans de gaz lumineux : les streamers. On dirait de gigantesques harpes tendues dans la couronne. Lorsqu'une vague parcourt un tel ruban, il tremble et se courbe, comme une corde après un pincement.

L'eau d'un ruisseau ne s'écoule pas en une couche uniforme : elle creuse des rigoles sinueuses où le courant est plus rapide. Les électrons dans un moteur de Hall se comportent à peu près de la même manière — ce dispositif propulse un vaisseau spatial avec un jet de plasma.

Les neutrinos sont de minuscules particules qui traversent la Terre sans presque la remarquer. Dans l'expérience MicroBooNE, on les capture dans une cuve d'argon liquide.

Le noyau de deutérium est comme une toupie. Si les charges à l'intérieur sont réparties de manière inégale, la toupie s'incline dans un champ électrique. Cette infime asymétrie est appelée moment dipolaire électrique.

Dans un fil ordinaire, la chaleur entraîne les électrons — c'est l'effet Seebeck, connu des thermocouples. Mais dans les aimants, c'est plus subtil : les porteurs de charge possèdent en plus un spin, une sorte de « toupie » intrinsèque.

Chaque électron est comme une toupie : il tourne sur lui-même. Cette rotation s'appelle le spin. Dans l'électronique classique, on n'utilise pas le spin, seulement la charge. Et c'est dommage : si l'on savait contrôler le spin, les puces deviendraient plus rapides et plus économes.

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.

Une sphère métallique est un piège pour les ondes lumineuses . En se réfléchissant sur les parois, elles se combinent en oscillations figées, comme des crêtes sur un étang qui auraient arrêté le temps. Pour chacun de ces motifs (appelés modes), les équations de Maxwell imposent une fréquence stricte.

Les ordinateurs quantiques exigent une mémoire fiable. Dans un cristal de diamant — carbone — l'information est stockée sous forme de direction de minuscules aiguilles magnétiques (spins) au niveau de défauts particuliers. Lire ces aiguilles avec de la lumière était peu pratique : l'optique est encombrante pour les puces.

À 78 K, le cristal Mn₃Si₂Te₆ se transforme en bobine d'induction qui n'a besoin ni de fil de cuivre ni de supraconducteur. Les électrons à l'intérieur s'organisent spontanément en tourbillons fermés avec un sens de rotation défini, des courants orbitaux chiraux.