Certains de nos objets quotidiens les plus importants, tels que les ordinateurs, les équipements médicaux, les chaînes stéréo, les générateurs et bien d’autres encore, fonctionnent grâce aux aimants. Nous savons ce qui se passe lorsque les ordinateurs deviennent plus puissants, mais qu’est-ce qui serait possible si les aimants devenaient plus polyvalents ? Que se passerait-il si l’on pouvait modifier une propriété physique qui définit leur capacité d’utilisation ? Quelle innovation cela pourrait-il catalyser ?
La compréhension de l’importance de cette découverte nous ramène en 1879. Edwin Hall, alors jeune étudiant en doctorat de 23 ans, a découvert qu’en plaçant un aimant à angle droit sur une bande métallique parcourue par un courant, un côté de la bande se chargeait plus que l’autre. Le champ magnétique déviait les électrons du courant vers le bord du métal. Ce phénomène a été baptisé l’effet Hall en son honneur.
A l’époque de Hall, la physique classique était la seule en vigueur. Des forces telles que la gravité et le magnétisme agissaient sur la matière de manière prévisible et immuable. Cependant, nous savons aujourd’hui que la mécanique quantique joue également un rôle.
La mécanique quantique et l’effet Hall anormal
La physique classique peut être considérée comme une carte de l’Arizona, et la mécanique quantique comme un voyage en voiture à travers le désert. La carte fournit une vue macroscopique et des informations généralisées sur la zone, mais elle ne peut pas préparer le conducteur à tous les événements aléatoires que l’on pourrait rencontrer. Les espaces quantiques, à l’instar du voyage que le conducteur entreprend, sont régis par un ensemble différent de règles de circulation locales.
Dans ce contexte, même sans champ magnétique extérieur, l’effet Hall peut se produire dans un cas quantique. C’est ce qu’on appelle l’effet Hall anormal.
La courbure de Berry : un GPS quantique
Dans l’exploration du domaine quantique, le concept de « phase de Berry« , du nom du physicien britannique Michael Berry, joue un rôle crucial. Il sert en quelque sorte de journal de bord pour le véhicule : en analysant l’historique du GPS, on peut mieux tracer les hauts et les bas, ou la « courbure » de l’espace. Cette « courbure de Berry » du paysage quantique peut naturellement déplacer les électrons d’un côté, induisant l’effet Hall sans champ magnétique.
Une manipulation inédite de l’effet Hall anormal
Bien que l’effet Hall anormal ait été observé dans des matériaux magnétiques, aucun n’avait pu le manipuler par compression et/ou étirement – jusqu’à ce que les auteurs de l’article développent une méthode pour démontrer le changement dans l’effet Hall anormal et la courbure de Berry dans un aimant inhabituel.
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Les chercheurs ont choisi des bases d’un demi-millimètre d’épaisseur faites d’oxyde d’aluminium ou de titanate de strontium, sur lesquelles ils ont fait pousser une couche incroyablement mince de tellurure de chrome, un composé magnétique. L’interface créée par le film magnétique avec les bases sur lesquelles il a été cultivé a provoqué l’étirement ou la compression des couches.
Le rôle crucial de la diffusion des neutrons
Pour approfondir leur compréhension du fonctionnement de ces matériaux, les chercheurs ont collaboré avec la Source de neutrons à spallation du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) pour réaliser des expériences de diffusion des neutrons. Les neutrons étaient l’outil idéal pour cette étude car ils sont magnétiques mais ne possèdent pas de charge électrique.
Implications et applications potentielles
Bien que cette percée ait eu lieu au plus petit niveau moléculaire, la découverte des chercheurs a des ramifications significatives dans le monde réel. Les disques durs, par exemple, stockent les données dans de minuscules régions magnétiques. Si ces derniers étaient construits avec des matériaux « à contrainte réglable », ils pourraient stocker des données supplémentaires dans des régions étirées de différentes manières.
Dans le domaine de la robotique, les matériaux à contrainte réglable pourraient être utilisés comme capteurs pour fournir un retour précis sur les mouvements et le positionnement des robots. Un dispositif magnétique qui modifierait son comportement lorsqu’il est plié ou courbé pourrait être utilisé pour détecter des modifications minimes de l’environnement, ou pour fabriquer un équipement de surveillance de la santé incroyablement sensible.
En synthèse
Cette découverte prometteuse ouvre de nouvelles voies passionnantes dans la science des matériaux et la mécanique quantique. Les aimants ne sont plus simplement des objets immuables, mais des entités flexibles dont les propriétés peuvent être manipulées pour améliorer les technologies existantes et en inventer de nouvelles. C’est un pas de géant dans la recherche et une percée qui pourrait avoir des implications révolutionnaires pour notre avenir technologique.
* C’est une question que les chercheurs Hang Chi, Yunbo Ou, Jagadeesh Moodera et leurs coauteurs du MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) explorent dans un nouvel article en accès libre de Nature Communications, intitulé « Strain-tunable Berry curvature in quasi-two-dimensional chromium telluride » (Courbure de Berry réglable en fonction de la contrainte dans le tellurure de chrome quasi bidimensionnel).
