transport de spin

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.

Un orchestre gelé où les musiciens changent de place quand le chef d'orchestre, le magnétisme, donne une nouvelle partition. Dans un cristal de spinelle, les atomes de fer et de magnésium occupent deux types de sièges : les uns sont entourés de quatre voisins, les autres de six.

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 film plastique aussi épais qu'un cheveu, et à l'intérieur, des points de platine plus petits qu'un millionième de millimètre. Ces points se nichent à la frontière de deux couches du transistor et capturent la charge électrique comme une éponge absorbe l'eau. Lorsque la charge s'accumule, le transistor modifie sa résistance — et mémorise cet état.

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.

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.

Dans un accélérateur circulaire, un faisceau d'électrons file en rond des millions de fois. Si les électrons sont tordus comme un fil dans une corde, leur mouvement vortex devrait se conserver. Mais sur le chemin, ils subissent des chocs aléatoires dus à des aimants imparfaits.

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.

Dans les prolongements longs du neurone — les dendrites — de minuscules coursiers vont et viennent sans cesse. Ce sont des molécules d'ARN messager qui portent les instructions pour la fabrication des protéines. Leur trajet commence dans le corps cellulaire et se termine aux synapses — les contacts avec d'autres neurones.

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 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.

Une feuille de papier aux propriétés magnétiques — c'est à peu près ainsi que l'on peut décrire le nouveau matériau 1T-CrS₂. Ses couches sont maintenues par de faibles forces, comme les pages d'un carnet, mais chaque couche est un véritable aimant.

Le courant ionique à travers la membrane ressemble à une file d'attente devant un tourniquet. Parfois le tourniquet est libre — les ions passent rapidement. Parfois il se bloque — le flux diminue. Un champ magnétique faible, comme on l'a découvert, ne pousse pas les ions dans le dos, mais modifie simplement le nombre de tourniquets ouverts.

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 remorqueur spatial à moteur ionique accélère lentement, mais consomme très peu de carburant. Pour passer d'une orbite à une autre, il faut résoudre un problème délicat : combien de temps allumer le moteur et où le diriger. On cherche généralement le trajet le plus rapide pour une masse donnée de l'engin.

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.

Les rayons cosmiques ne voyagent pas en ligne droite. Les particules chargées, accélérées à des vitesses énormes, serpentent dans le champ magnétique de la Galaxie comme des poussières dans le vent. On considère généralement qu'elles se dispersent simplement le long et à travers les lignes de force.

Certains matériaux ont une structure interne semblable à un ruban de Möbius : leurs états électroniques sont tordus d'une manière particulière. On essaie généralement de modifier ces propriétés topologiques à l'aide d'un champ magnétique puissant, comme si l'on tentait d'aplatir le ruban à coups de masse.

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.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien — le qubit — doit jouer sa partition avec précision et en rythme. Habituellement, on installe les musiciens à des places fixes et on les relie par des pupitres-câbles.

Un trou de ver ressemble à un tunnel avec un col très étroit. Si vous envoyez un signal sonore dans un tel tunnel, une partie de l'écho reviendra, une autre restera coincée au milieu et n'en sortira que très lentement.

Une particule quantique qui parcourt un anneau fermé laisse deux « enregistrements » différents sur son passage. Le premier est comme une empreinte digitale sur une poignée de porte : il reste inchangé, quel que soit le nombre de fois où l'on tourne la poignée, et ne renseigne que sur la forme et le matériau.

Le cristal de tellure ressemble à un minuscule escalier en colimaçon : ses atomes sont enroulés en spirale. Lorsque la chaleur traverse un tel cristal, elle n'est pas transportée par les électrons, mais par des ondes sonores — les vibrations du réseau lui-même. Ces ondes ne se contentent pas de pousser d'avant en arrière ; elles tournent aussi sur elles-mêmes, comme une toupie lancée.

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 peigne passé dans les cheveux attire des morceaux de papier. Ce tour de physique élémentaire, des chercheurs ont décidé de l'appliquer à l'échelle microscopique pour piloter des vortex magnétiques appelés skyrmions.

Un conducteur tourne le volant pour que la voiture tourne. Dans le monde quantique, il existe aussi des « volants » : des paramètres externes que l'on fait varier lentement pour transporter des particules d'un endroit à un autre.

Si vous jetez une poignée de pièces sur une table, elles retombent en désordre. Mais dans certains cristaux, les atomes s'organisent en un motif rappelant un panier tressé — le réseau kagomé. Dans le métal MgMn₆Sn₆, ce sont les atomes de manganèse qui forment ce réseau, et à température ambiante, ils se comportent comme de minuscules aiguilles magnétiques.

Un morceau de magnétite, cette pierre de fer banale, se comporte de manière étrange. À température ambiante, il conduit l'électricité, mais il suffit de le refroidir en dessous de moins 150 degrés pour que sa résistance grimpe en flèche. Cette transition, découverte en 1939, est restée inexpliquée pendant près d'un siècle.

Un cristal semblable à une pile de crêpes a été déposé sur un substrat lisse en oxyde de magnésium. On a obtenu une pellicule épaisse de quelques centaines d'atomes. Lorsqu'on y a fait passer un courant et qu'on a activé un aimant, la résistance a augmenté de près d'un quart — de 22,5 % sous un champ de 9 teslas.

Les alvéoles des abeilles sont construites à partir de cellules identiques, mais il suffit de modifier légèrement la forme de l'une d'elles pour que toute la structure acquière de nouvelles propriétés. C'est à peu près ce qu'ont fait les chercheurs en créant un aimant sans un seul atome de métal.

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.

Un tapis est bien étendu, mais si on le pousse par le bord, des plis se forment. Dans une fine couche de sulfure de tantale (1T-TaS2), les plis d'électrons — les ondes de charge — se figent, comme si le tapis était collé au sol. Pour les déplacer, il faut exercer une force. Des scientifiques ont trouvé un moyen de contrôler cette force à l'aide d'un champ électrique et d'un aimant.

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.

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.

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.

Les cils sont de minuscules poils à la surface des cellules. Ils battent comme des rames et déplacent le liquide. Dans les poumons, ils expulsent la poussière et les microbes vers l'extérieur. Mais leur longueur varie : chez l'humain, ils mesurent des millièmes de millimètre ; chez les cténophores, plusieurs millimètres.

L'électron n'est pas qu'une simple bille : il tourne aussi sur lui-même, comme une toupie. En temps normal, ces toupies pointent dans des directions aléatoires et se désordonnent rapidement.