grenat d'yttrium et de fer

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.

Sur la table repose un morceau de graphite, cultivé à partir de gaz, comme un dépôt sur la paroi d'un réacteur. En général, un tel matériau ne convient pas pour convertir la chaleur en électricité : à l'intérieur, les électrons et les trous courent dans des directions opposées et s'annihilent mutuellement.

Un cartographe qui ne dessine ni montagnes ni rivières, mais les liens invisibles entre les électrons : c'est ainsi qu'on pourrait décrire ce nouveau réseau de neurones. Au lieu des coordonnées atomiques, il prend les orbitales moléculaires et trace un graphe dont les nœuds sont les orbitales et les arêtes, les mesures de leur intrication quantique.

Une toupie magnétique qui ne tombe pas. Une petite bille de grenat fer-yttrium flotte dans les airs, maintenue par des forces invisibles. Ce n'est pas un tour de magie, mais un piège de Paul magnétique — un champ magnétique alternatif qui change rapidement de direction et empêche la bille de tomber, comme un jongleur qui lance des balles en l'air.

Un film magnétique de trois millièmes de millimètre d'épaisseur repose sur un substrat cristallin. Si on l'excite, des ondes d'aimantation se propagent à sa surface, comme des ronds dans l'eau. Simultanément, des oscillations élastiques peuvent apparaître dans le substrat, semblables aux vibrations d'une corde tendue.

À l'intérieur d'un cristal se déroule un ballet invisible : les moments magnétiques des atomes, tels des danseurs, tantôt s'alignent à l'unisson, tantôt se dispersent en opposition de phase. La chorégraphie est dictée par l'échange quantique — une musique sensible à la géométrie des liaisons.

Au plus profond sous nos pieds, dans le manteau incandescent, le fer mène une double vie. Il peut être bivalent ou trivalent — comme une pièce qui retombe sur pile ou face. De quel côté penche la balance dépend la quantité d'oxygène qui reste dans l'enveloppe rocheuse de la planète et celle qui part dans le noyau.

Un laser d'usine, qui sur les chaînes de production découpe et soude le métal, a été utilisé pour la première fois comme accélérateur de particules.

Le champ magnétique terrestre, qui fait tourner l'aiguille d'une boussole, est puissant. Le nouveau capteur détecte des champs cent mille fois plus faibles, sans avoir besoin d'hélium liquide ni d'installations encombrantes. Tout tient sur un circuit imprimé — comme celui à l'intérieur d'un smartphone.

Un matériau magnétique dans un four à micro-ondes n'est pas le héros le plus évident d'un travail scientifique. Pourtant, c'est exactement ce que les auteurs ont fait : ils ont placé une minuscule sphère de grenat d'yttrium-fer (YIG) à l'intérieur d'un résonateur — une cavité où les photons micro-ondes rebondissent entre les parois, comme la lumière…

Deux feuilles de graphène — un film de carbone d'un atome d'épaisseur — sans rotation, ressemblent à un port encombré de bancs de sable : les ions lithium soit s'échouent, soit passent en trombe sans s'arrêter. Mais une rotation de 9,43° trace un chenal idéal. Les navires-ion s'amarent solidement aux « quais » de carbone et repartent aussitôt, sans perdre de vitesse.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme un treillis métallique flexible sur lequel les électrons se déplacent presque sans obstacle. Empilez deux de ces feuilles avec un léger décalage, et les propriétés du matériau changent radicalement : il peut devenir un isolant qui ne laisse pas passer le courant.

Un aimant, comme l'aiguille d'une boussole, aime pointer dans une direction précise. Mais que se passe-t-il si le matériau est stratifié, comme une pile de crêpes ? Des scientifiques ont pris un tel aimant, composé de chrome, de germanium et de tellure, et ont voulu déterminer à quel point il « résiste » lorsqu'on tente de faire pivoter son aimantation.

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.

Un faisceau de particules chargées, telle une fine plume, dessine un motif invisible sur une pellicule métallique. Aux endroits qu'il touche, le matériau réorganise l'ordre interne de ses atomes : d'un empilement compact, semblable à une pyramide d'oranges dans une caisse, les atomes se réarrangent en une structure plus lâche, comme des cubes empilés dans une boîte.

Dans le monde microscopique, il y a toujours du bruit. Même dans le vide absolu, quelque chose tremble, et ces fluctuations quantiques gênent les mesures précises. Mais on peut « comprimer » le bruit, comme un ballon de baudruche : si on le serre sur les côtés, un côté devient plus fin, mais l'autre gonfle.

Si vous jetez une pierre dans un étang, des cercles se propagent à la surface. Dans un aimant, il y a aussi des ondes — mais ce ne sont pas les molécules d'eau qui oscillent, ce sont les directions des flèches magnétiques des atomes. Ces ondes sont appelées magnons, et leur comportement en dit long sur les forces invisibles entre les atomes.

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.

Dans un film magnétique mince, les ondes de spin se propagent comme des rides sur une corde tendue. Ajoutons des bandes métalliques au film : on obtient un résonateur semblable à une boîte à musique, où certaines notes sonnent fort et d'autres s'étouffent.

Le champ magnétique terrestre ressemble à une rivière invisible qui serpente sous nos pieds. Les navigateurs et les géologues consultent les cartes de cette rivière, mais les instruments ne prennent des mesures qu'en des points isolés, laissant des zones blanches entre eux. Les combler, c'est un peu comme dessiner le lit d'une rivière à partir de quelques cailloux trouvés sur la berge.

Les aimants de ce cristal se comportent comme des invités à une fête où chacun veut s'asseoir sur la même chaise. Personne ne peut s'installer définitivement — et de ce désordre naît un état particulier. Dans cet état, le moment de spin (ce qui fait de l'électron un minuscule aimant) parvient à parcourir 480 micromètres.

Les ondes dans les aimants ressemblent aux vibrations d'une corde : si l'on pince une corde, elle émet une note unique, mais sous une forte excitation apparaissent des harmoniques — des sons à des fréquences multiples.

Les matériaux magnétiques peuvent stocker l'énergie des oscillations, un peu comme un diapason qui continue de vibrer après avoir été frappé. Si l'on place un tel matériau dans une cavité micro-onde, ses oscillations (les magnons) commencent à interagir avec la lumière (les photons).

Un morceau de plastique dense de la taille d'une pièce de monnaie s'illumine lorsqu'une particule invisible le traverse. C'est ainsi que fonctionnent les scintillateurs : des matériaux qui convertissent les radiations en une faible lumière. On les fabrique généralement à partir de cristaux fragiles ou de polymères coûteux.

Un minuscule aimant composé de couches de soufre, de chrome et de brome repose sur la platine d'un microscope. À l'intérieur, tels des invités imprévus, se trouvent des atomes d'erbium, un métal des terres rares. Ces atomes peuvent émettre de la lumière lorsqu'on les éclaire avec un laser, et leur lumière révèle ce qui se passe autour d'eux.

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.

Sur un fil des centaines de fois plus fin qu'un cheveu humain est suspendue une charge pesant comme une petite pomme. Le fil ne casse pas et ne gêne presque pas le balancement de la charge. Cette structure est le cœur d'une nouvelle balance de laboratoire destinée à mesurer la force d'attraction.

Une boussole magnétique dans une éprouvette — cela semble être un tour de passe-passe, mais c'est de la physique pure. Dans une solution de fumarate (un sel d'acide malique), les noyaux de carbone-13 se comportent comme de minuscules toupies.

Le graphène est une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur. Si on la découpe en fines bandes, on obtient des nanorubans de graphène. Leurs propriétés dépendent de la façon dont la bande est taillée : comme avec un même morceau de tissu, on peut coudre une nappe lisse ou une jupe plissée. Dans ces nouveaux travaux, des chimistes ont assemblé un ruban de forme asymétrique.

Les minuscules aiguilles magnétiques à l'intérieur d'un cristal d'oxyde de terbium et d'iridium se comportent étrangement : au lieu de s'aligner le long de leur axe préféré, elles se placent perpendiculairement. Cet état se forme complètement lors du refroidissement à 1,5 kelvin — une température plus froide que celle de l'espace interstellaire.

Le nouveau matériau magnétique est organisé comme une pile de crêpes : dans chaque couche, toutes les « flèches » atomiques pointent dans la même direction, mais la couche voisine est aimantée dans le sens opposé. Le motif de triangles — le réseau kagomé — est déformé parce qu'une partie des atomes a été remplacée par des haltères de germanium.