polarisation de spin

Deux réservoirs d'encre se tiennent de part et d'autre de la jonction cellulaire. De là, deux types de monomères s'écoulent sur la membrane et, lorsqu'ils se rencontrent, forment des gouttes visqueuses de complexes. Les gouttes bougent à peine, tandis que les monomères libres filent rapidement, comme des molécules de parfum dans une pièce.

Le champ magnétique agit généralement comme un agent de circulation strict : pour que la chaleur se transforme en électricité, il doit se placer en travers de la route. Si le champ est aligné avec le flux de chaleur, l'effet disparaît – c'est ce que l'on croyait depuis des décennies.

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.

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.

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).

Sur le mur, des bandes claires et sombres. Voilà à quoi ressemble la lumière qui s'annule elle-même. Dès le XVIIe siècle, Christiaan Huygens avait suggéré que la lumière était une onde.

Une molécule polaire ressemble à un minuscule haltère avec des charges différentes à ses extrémités. En général, ces particules se collent ou se dispersent rapidement lors d'une rencontre — les forces électriques sont trop fortes. Mais les auteurs de l'étude ont trouvé un moyen de transformer cette agressivité en un jeu contrôlé.

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.

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.

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.

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.

L'électron et son antipode — le positron, prédit par Paul Dirac —, lorsqu'ils se rencontrent, forment un instant le positronium : une minuscule paire qui tourne l'un autour de l'autre, comme dans un atome, mais sans noyau.

L'électronique traditionnelle manipule la charge, mais la spintronique et l'orbitionique naissante rêvent d'ajouter au jeu la rotation propre des particules. À la base se trouve l'effet Edelstein : un courant traversant des matériaux avec interaction spin-orbite de Rashba génère une polarisation de spin.

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.

Un escalier en colimaçon impose son rythme aux pas : si une foule le dévale, son mouvement s'enroule inévitablement. Quelque chose de similaire se produit dans les molécules hélicoïdales — par exemple, l'ADN ou certaines protéines. Lorsqu'on fait passer un courant électrique à travers une telle molécule, les électrons ne se contentent pas de filer tout droit.

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.

Trois danseurs évoluent comme un seul corps : chacun ressent tous les autres, et l'harmonie globale ne se réduit pas aux interactions individuelles. C'est à peu près le comportement de trois particules nées d'une collision entre un électron et un positron à vitesse de la lumière.

Deux dés à jouer reposent dans des pièces différentes. S'ils sont « intriqués », le lancer de l'un détermine instantanément le résultat de l'autre, même à distance. Dans le monde quantique, ce lien s'appelle la dirigeabilité : une partie, en effectuant des mesures chez elle, semble dicter l'état à son partenaire.

Tout instrument de mesure est perturbé par le bruit quantique — ce frémissement chaotique des particules élémentaires. Pour l'apprivoiser, des physiciens ont appliqué aux molécules de fluorure de calcium une astuce comparable à la compression d'un ballon de baudruche : on appuie à un endroit, et cela gonfle à un autre.

On fait passer un courant à travers un ressort de molécules organiques — et à la sortie, presque tous les électrons tournent dans le même sens. Ce tour de passe-passe s'appelle la sélectivité de spin chirale, et il a longtemps laissé les physiciens perplexes.

Deux équipes tirent sur une corde avec la même force dans des directions opposées — la corde ne bouge pas, la force totale est nulle. C'est le comportement de nombreux antiferromagnétiques : les moments magnétiques des atomes sont alignés en sens inverse et s'annulent mutuellement.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est si fortement comprimée que les noyaux atomiques s'agglutinent en longs filaments et en feuilles plates. Les astrophysiciens appellent ces structures des pâtes nucléaires. À leur surface, la densité de la matière chute presque à zéro — comme si vous surgissiez d'une gelée épaisse dans un air raréfié.

Deux photons intriqués s'éloignent dans des directions opposées, mais continuent de se comporter comme un seul ensemble : la mesure de l'un détermine instantanément l'état de l'autre. C'est cela, l'intrication quantique. Cependant, elle ressemble parfois à un espion expérimenté : elle ne laisse aucune trace visible lors d'un contrôle ordinaire.

La piste de danse est pleine de couples qui tournoient en valse. Habituellement, les partenaires se déplacent dans des directions opposées : l'un fait un pas en avant, l'autre en arrière, pour garder le rythme commun.

Le cristal La3Ni2O7 ressemble à un gâteau en couches, où la garniture d'atomes de nickel et d'oxygène alterne avec des couches de lanthane.

Dans un morceau d'aimant ordinaire, tous les spins électroniques — ces minuscules aiguilles magnétiques — pointent dans la même direction. C'est un rang de soldats tournés vers leur commandant. Cet ordre est appelé antiferromagnétique colinéaire.

Une cuillère chaude dans une tasse de thé : la chaleur court le long du métal, de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide. Dans les manuels, ce processus est décrit comme un tremblement des atomes qui se transmettent des chocs. Mais les atomes ne se contentent pas de trembler : ils pivotent aussi, comme de minuscules toupies.

La collision de particules à très grande vitesse produit une pluie de nouvelles particules. Parmi elles, les antiprotons, jumeaux des protons ordinaires, mais avec une charge opposée. Chaque particule possède une rotation propre, comme une balle de tennis envoyée avec un effet. Mais personne n'a encore vérifié si les antiprotons naissent avec une rotation.

Autour des jeunes étoiles tourbillonnent des disques de gaz et de poussière — le matériau de construction des futures planètes. À l'intérieur de ces disques, les grains de poussière ne volent pas au hasard : ils s'alignent le long de lignes invisibles où le gaz s'écoule.

Le trou noir Cygnus X-1 est l'un des plus étudiés de notre galaxie. Il forme une paire avec une étoile ordinaire et attire sa matière. Le gaz s'enroule en un disque lumineux, comme l'eau dans un entonnoir, et au-dessus du disque plane une couronne surchauffée – un nuage d'électrons à des centaines de millions de degrés.

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.

Pour aligner les spins des particules dans une même direction, les physiciens refroidissent généralement la matière presque jusqu'au zéro absolu et la placent dans un champ magnétique intense. C'est coûteux et encombrant.

Un aimant de frigo tient parce qu'à l'intérieur, les minuscules flèches atomiques sont alignées dans une même direction. Mais la mécanique quantique fait trembler ces flèches, et l'aimantation totale devient inférieure à la valeur idéale.

Un faisceau de lumière à polarisation circulaire tombe sur un cristal de pérovskite MAPbI3. Les électrons à l'intérieur du cristal se comportent comme de minuscules toupies dont les axes s'alignent le long du faisceau. Ce phénomène est appelé orientation optique des spins.

Un faisceau lumineux tombe sur une plaque métallique à structure carrée, et à sa surface apparaît un motif de minuscules vortex magnétiques — comme des rides sur l'eau, mais figées et ordonnées. Ces vortex sont appelés skyrmions, et ils se comportent comme des toupies qui peuvent tourner dans des directions différentes.

Un diapason répond à une fissure par un son sourd. Un principe similaire est appliqué dans l'expérience : des physiciens ont transformé des molécules en un diapason ultra-sensible pour entendre l'asymétrie de l'électron.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre qui doit accorder ses instruments avant chaque morceau. L'accordage prend du temps et exige le silence – dans notre cas, un froid profond.

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.

Le faisceau d'un laser frappe un cristal brillant — et en ressort transformé : légèrement décalé en couleur, avec une polarisation différente. Dans un champ magnétique, cette métamorphose de la lumière devient particulièrement visible.

Deux photons, comme les deux faces d'une même pièce, s'éloignent sur des dizaines de kilomètres mais restent liés : mesurez l'un, vous connaissez instantanément l'état de l'autre. Cette propriété s'appelle l'intrication, et elle est à la base de la communication quantique.