effet Hall thermique

Une fine tige de cuivre de quinze centimètres glisse lentement à travers la bulle magnétique invisible créée par une paire de bobines. Au centre de la bulle, où le champ est uniforme et intense, l'aiguille du voltmètre reste à zéro. Dès qu'on déplace la tige vers le bord, l'aiguille s'anime, augmente, atteint un pic puis retombe doucement.

Si l'on fait passer un courant dans deux conducteurs soudés ensemble, le point de soudure se réchauffe ou se refroidit : c'est l'effet Peltier, utilisé dans les réfrigérateurs de voiture.

Dans une casserole de soupe bouillante, les petites gouttelettes de graisse remontent à la surface, tandis que les morceaux de légumes plus lourds tombent au fond.

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.

Imaginez une transition de phase quantique comme une danse complexe. Les électrons tourbillonnent dans un ordre strict, et chaque pas représente leur distribution spatiale, tandis que le rythme incarne la dynamique. Pendant des décennies, les physiciens n'ont vu qu'un mouvement flou, incapables de distinguer : les figures changent-elles ou la musique s'accélère-t-elle ?

Dans le monde des matériaux bidimensionnels naissent parfois des états aussi étranges que fragiles. L'un d'eux, le cristal de Hall anormal fractionnaire (FAHC), est tel un centaure quantique : à moitié réseau ordonné, à moitié liquide topologique.

Du Soleil à la Terre, le vent solaire file à toute allure, mais la magnétosphère dévie le flux et en sculpte des queues de plasma.

Imaginez une rivière sur un rapide : le courant accélère au point qu'aucune vague ne peut plus remonter le flot. De même, le gaz près d'un trou noir : ayant atteint la vitesse du son, il s'enferme lui-même — naît un trou noir acoustique, double de l'abîme gravitationnel. Ici, l'horizon des événements est tissé d'un flux plus rapide que son propre son.

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.

Une pile soignée de couches atomiques repose sur un substrat. Un faisceau invisible de lumière térahertz tombe par-dessus, et un champ magnétique est appliqué sur le côté. Après réflexion, le faisceau tourne légèrement sa polarisation.

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.

Si l'on chauffe un clou dans un feu, il s'allonge — tout le monde le sait. Mais si l'on ne chauffe que la pointe en laissant l'autre extrémité froide, le clou ne se contente pas de s'allonger : il se courbe, car le métal chaud se dilate plus que le métal froid. C'est précisément cette flexion, mais à l'échelle atomique, que des physiciens ont transformée en électricité.

Deux fines couches de semi-conducteur ont été tournées l'une par rapport à l'autre de 2,29 degrés — comme deux feuilles de papier transparent sur lesquelles on aurait dessiné des grilles. Là où les lignes coïncident presque, un grand motif de taches sombres et claires apparaît. Les électrons dans ce motif se comportent très différemment de ceux d'un cristal ordinaire.

Une batterie lithium-ion ressemble à un immeuble de plusieurs étages, où des ions lithium habitent à chaque étage. Lorsqu'on charge la batterie, les ions déménagent d'un étage à l'autre, et tout l'immeuble chauffe un peu. Normalement, cette chaleur se dissipe uniformément, comme un plancher chauffant.

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.

Un sol en mosaïque composé de nombreuses petites tuiles orientées dans des directions différentes. On pourrait penser que tout motif tentant de traverser un tel sol se briserait et disparaîtrait. C'est ainsi que l'on considère généralement le désordre dans les cristaux : si les atomes ne sont pas alignés dans un réseau parfait, les effets quantiques subtils devraient s'effondrer.

Dans un canal mince de semi-conducteur, les électrons ne se comportent pas comme des individus, mais comme une foule à l'heure de pointe. Ils ne cessent d'entrer en collision les uns avec les autres, et ces collisions déterminent la facilité avec laquelle la chaleur et le courant électrique traversent le matériau.

Le laser frappe le cristal, et celui-ci répond par des éclairs de lumière, comme une cloche qui sonne quand on la frappe. Mais si la cloche est chaude, son son tremble et s'étouffe.

Dans un cristal isolant, la chaleur se propage généralement de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide. Mais si l'on active un champ magnétique, une partie du flux thermique dévie sur le côté — comme l'eau qui, en dévalant une pente, est légèrement poussée latéralement par le vent. Ce comportement est appelé effet Hall thermique.

Deux rangées de balançoires se balançant en sens opposés ne font pas pencher la plateforme. Cependant, leur mouvement génère des tourbillons invisibles qui poussent une balle sur le côté. C'est ainsi que se comportent les altermagnets : les flèches magnétiques des atomes sont parfaitement compensées, mais la symétrie cachée courbe le flux de chaleur.

Si l'on pousse de la chaleur à travers un morceau de quartz, elle va généralement tout droit, comme l'eau dans un tuyau. Mais dès que l'on active un champ magnétique, le flux dévie légèrement sur le côté — comme si le tuyau avait soudainement une dérivation latérale.

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.

Une fine couche de semi-conducteur à basse température se comporte comme une casserole de miel : les électrons n'y circulent pas individuellement, mais comme un liquide épais. Si l'on fait passer un courant alternatif à travers une telle couche, la résistance répond par une courbe lisse.

Le cristal modifie sa géométrie interne, comme la charpente d'un bâtiment qui se déforme légèrement lors d'un tremblement de terre.

Un laser puissant frappe une minuscule cible, qui se transforme instantanément en un nuage de gaz surchauffé, du plasma. Dans ce nuage naissent spontanément des champs magnétiques. Comme des mains invisibles, ils empêchent la chaleur de s'échapper librement du centre brûlant.

Deux couches d'un matériau magnétique, tournées l'une par rapport à l'autre de quelques fractions de degré, comme deux grilles légèrement décalées sur une fenêtre. Dans leur état normal, elles ne produisent rien de particulier, mais à un certain angle de rotation, un effet inattendu apparaît dans le matériau.

Un matériau particulier — l'isolant topologique — ne conduit le courant que sur sa surface, comme si l'intérieur était un isolant parfait. Il y apparaît un effet quantique semblable à celui découvert par Klaus von Klitzing, mais mathématiquement équivalent à un monde à quatre dimensions.

Un morceau d'or n'attire pas les trombones. Mais si l'on prend un film mince d'un alliage de gadolinium, d'or et de germanium et qu'on commence à le courber, des régions magnétiques peuvent y apparaître. Les scientifiques ne l'ont pas fait avec leurs mains, mais à l'aide d'un flux d'ions hélium qui pénétrait dans le matériau à travers un masque à motifs.

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.

Un laser à électrons libres ordinaire ressemble à un instrument de musique à une seule corde : il ne peut jouer qu'une seule note tant qu'on ne modifie pas sa conception. Pour obtenir une autre longueur d'onde, il faut régler les aimants ou accélérer davantage les électrons. C'est coûteux et encombrant.

Un fin fil du cristal α-Bi₄Br₄ — un composé de bismuth et de brome — conduit le courant non pas comme un fil ordinaire. À l'intérieur, l'électricité ne se déplace que le long des bords, comme l'eau dans une gouttière sans toucher le fond ni les parois. Ce comportement est appelé isolation topologique : l'intérieur du matériau ne conduit pas, mais sur la surface ou les bords, les électrons glissent sans perte.

Une fine couche du composé de manganèse, de bismuth et de tellure ressemble à un gâteau en couches : chaque couche est un plan atomique, et les moments magnétiques à l'intérieur de la couche sont alignés comme des aiguilles de boussoles.

Un matériau magnétique peut être comparé à une foule de minuscules boussoles. Dans un aimant ordinaire, toutes les aiguilles pointent dans la même direction, et les faire tourner toutes d'un coup n'est pas simple. Les physiciens ont trouvé un moyen de le faire à l'aide d'un courant électrique.

Dans des couches de tellurure de molybdène torsadées selon un angle précis, les électrons se comportent de manière inhabituelle : ils peuvent se diviser en parties. C'est comme si un gâteau entier se mettait soudainement à être découpé en parts strictement égales, alors qu'il n'y a qu'un seul couteau.

Dans un gaz brûlant de particules chargées — le plasma — les champs électriques chaotiques agissent comme un tamis. Une particule lente s'entoure d'un nuage de charges opposées qui neutralise le champ externe. Une particule rapide, elle, perd cette armure et se fait accélérer.

La température de la pièce baisse de quelques degrés pendant que le réfrigérateur fonctionne sans le moindre compresseur en mouvement. À l'intérieur, pas de fréon, mais un morceau de métal que l'on aimante et désaimante tour à tour.