spintronique

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.

Deux danseurs sur une même scène : l'un tire son partenaire d'un côté, l'autre dans la direction opposée. Dans le cristal Cu2(OH)3Br, connu sous le nom de botallackite, les atomes de cuivre s'alignent en chaînes où les spins (moments magnétiques) des ions voisins s'orientent soit parallèlement, comme dans un ferromagnétique, soit antiparallèlement, comme dans un…

Une serrure avec deux clés différentes : l'une tourne facilement, l'autre demande un effort notable. C'est ce que l'on observe avec deux couches de nitrure de bore hexagonal lorsqu'on les fait pivoter l'une par rapport à l'autre.

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.

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.

Deux feuilles de graphène — des couches de carbone d'un atome d'épaisseur — sont empilées comme le pain d'un sandwich. Entre elles se trouve une couche magnétique de CrSBr. Lorsqu'un courant traverse ce sandwich, la résistance dépend de l'orientation des moments magnétiques dans la couche intermédiaire.

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.

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.

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 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.

Le livre est ouvert au milieu. Le courant circule le long de la tranche, tandis que les pages restent froides. C'est à peu près ainsi que fonctionne un isolant topologique bidimensionnel : un matériau où l'électricité ne circule que sur les bords, l'intérieur restant immobile.

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.

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.

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.

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.

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 vortex magnétique, ou skyrmion, ressemble à un minuscule tourbillon dans une mer de spins — les moments magnétiques intrinsèques des atomes.

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.

Dans un minuscule aimant, l'information n'est pas écrite dans la direction de la flèche, mais dans la façon dont les directions de ses atomes s'alternent. Dans les antiferromagnétiques, ces flèches se compensent mutuellement, si bien que le matériau semble non magnétique de l'extérieur.

Parmi les aimants, il existe de discrets maîtres de la métamorphose. Un aimant ordinaire attire les trombones et possède deux pôles – nord et sud. Mais il existe des matériaux qui, à l'intérieur, sont organisés comme un échiquier magnétique : leurs atomes sont alignés selon un ordre strict, mais à l'extérieur, le matériau se comporte de manière neutre, comme s'il n'y avait pas d'aimant du tout.

Deux rives supraconductrices sont reliées par un pont en matériau magnétique. À l'intérieur du pont se trouve une paroi de domaine : une frontière étroite où l'aimantation pivote, comme une rangée de soldats qui change de direction.

Dans un film mince d'oxyde de nickel, les régions magnétiques, comme des pièces de mosaïque, sont disposées dans un ordre strict. Une impulsion laser chauffe instantanément le matériau, et la mosaïque se disperse : les domaines perdent leur orientation et se mélangent.

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.

En général, le courant dans un métal agit comme de l'eau bouillante sur de la glace : il chauffe le matériau et détruit l'ordre magnétique. Mais dans une structure en couches composée de ditellurure de tungstène et du ferromagnétique Fe3GeTe2, le courant se comporte différemment.

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 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.

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.

Un morceau de combustible nucléaire à l'intérieur d'un réacteur n'est pas qu'un simple solide. Lorsqu'on le chauffe, les atomes d'uranium commencent à « remuer » leurs moments magnétiques, et ce mouvement modifie la conductivité thermique et d'autres propriétés.

Si l'on comprime une plaque avec des cellules en accordéon, une onde de pli la parcourt — comme un pli qui se propage sur un tapis quand on le pousse du pied. Ces ondes savent faire basculer le matériau entre deux formes stables, et c'est sur ce principe que l'on construit la mémoire mécanique. Mais si un pied de table se trouve sur le chemin du pli, celui-ci se coince.

Une bactérie dans une goutte d'eau cherche de la nourriture. Autour d'elle, un gradient chimique : les molécules de nourriture sont plus nombreuses d'un côté, moins de l'autre. Comment se déplacer pour atteindre plus vite l'endroit nourrissant ? On pourrait ajuster sa trajectoire en douceur, comme un cycliste qui contourne une flaque.

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.

Si l'on jette une pierre dans un étang, des cercles se propagent à la surface. Dans un minuscule cristal magnétique, il y a aussi des ondes — mais ce n'est pas l'eau qui oscille, c'est la direction de l'aimantation. Ces ondes sont appelées ondes de spin. Elles parcourent le cristal comme des rides à la surface et peuvent transporter de l'information.

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.

Dans les semi-conducteurs, la lumière naît de paires de charges — un électron et un trou — qui s'attirent mutuellement, comme un aimant sur un réfrigérateur. Une telle paire s'appelle un exciton. Si l'on ajoute une charge supplémentaire à la paire, on obtient un trion — un « trio » de trois particules.