Des monopôles magnétiques découverts dans une matière proche de la rouille

Dans une découverte qui pourrait alimenter des technologies informatiques plus vertes et plus rapides, des chercheurs ont identifié des monopôles magnétiques – des charges magnétiques isolées – dans une matière étroitement liée à la rouille.

Dirigée par l’Université de Cambridge, l’équipe de recherche a utilisé une technique connue sous le nom de capteur quantique de diamant pour observer des textures tourbillonnantes et de faibles signaux magnétiques à la surface de l’hématite, un type d’oxyde de fer.

Les chercheurs ont constaté que les monopôles magnétiques dans l’hématite émergent grâce au comportement collectif de nombreux spins (le moment angulaire d’une particule). Ces monopôles glissent à travers les textures tourbillonnantes à la surface de l’hématite, comme de minuscules palets de charge magnétique. C’est la première fois que des monopôles émergents naturellement sont observés expérimentalement.

Une connexion entre les textures et les charges magnétiques

La recherche a également montré la connexion directe entre les textures tourbillonnantes précédemment cachées et les charges magnétiques de matériaux comme l’hématite, comme s’il existait un code secret les reliant. Les résultats, qui pourraient être utiles pour permettre les applications logiques et de mémoire de nouvelle génération, sont rapportés dans la revue Nature Materials.

Selon les équations de James Clerk Maxwell, un géant de la physique de Cambridge, les objets magnétiques, qu’il s’agisse d’un aimant de réfrigérateur ou de la Terre elle-même, doivent toujours exister sous la forme d’une paire de pôles magnétiques qui ne peuvent pas être isolés.

Des monopôles dans un matériau magnétique

Il y a environ 15 ans, des scientifiques ont suggéré comment les monopôles pourraient exister dans un matériau magnétique. Ce résultat théorique reposait sur la séparation extrême des pôles nord et sud de sorte que localement chaque pôle apparaissait isolé dans un matériau exotique appelé glace de spin.

Il existe toutefois une stratégie alternative pour trouver des monopôles, impliquant le concept d’émergence. L’idée d’émergence est que la combinaison de nombreuses entités physiques peut donner naissance à des propriétés qui sont soit plus que, soit différentes de la somme de leurs parties.

L’utilisation de l’émergence pour découvrir des monopôles

En collaboration avec des collègues de l’Université d’Oxford et de l’Université nationale de Singapour, les chercheurs de Cambridge ont utilisé l’émergence pour découvrir des monopôles répartis dans l’espace bidimensionnel, glissant à travers les textures tourbillonnantes à la surface d’un matériau magnétique.

Les textures topologiques tourbillonnantes se trouvent dans deux principaux types de matériaux : les ferromagnétiques et les antiferromagnétiques. Des deux, les antiferromagnétiques sont plus stables que les ferromagnétiques, mais ils sont plus difficiles à étudier, car ils n’ont pas une forte signature magnétique.

Technique pour étudier le comportement des antiferromagnétiques

Pour étudier le comportement des antiferromagnétiques, Atatüre et ses collègues utilisent une technique d’imagerie connue sous le nom de magnétométrie quantique de diamant. Cette technique utilise un seul spin – le moment angulaire inhérent d’un électron – dans une aiguille de diamant pour mesurer précisément le champ magnétique à la surface d’un matériau, sans affecter son comportement.

Pour l’étude actuelle, les chercheurs ont utilisé la technique pour examiner l’hématite, un matériau d’oxyde de fer antiferromagnétique. À leur surprise, ils ont trouvé des motifs cachés de charges magnétiques à l’intérieur de l’hématite, y compris des monopôles, des dipoles et des quadrupôles.

En synthèse

La découverte de monopôles magnétiques dans une matière proche de la rouille est une réalisation significative qui pourrait avoir des implications majeures pour les technologies informatiques futures. Grâce à l’utilisation de techniques innovantes comme la magnétométrie quantique de diamant, les chercheurs ont pu observer ces monopôles et comprendre leur comportement.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un monopôle magnétique ?

Un monopôle magnétique est une charge magnétique isolée, une notion qui va à l’encontre de la théorie classique selon laquelle les charges magnétiques existent toujours par paires de pôles nord et sud.

Qu’est-ce que l’hématite ?

L’hématite est un type d’oxyde de fer. Dans cette étude, c’est le matériau dans lequel les monopôles magnétiques ont été découverts.

Qu’est-ce que la magnétométrie quantique de diamant ?

La magnétométrie quantique de diamant est une technique d’imagerie qui utilise le spin d’un électron dans une aiguille de diamant pour mesurer précisément le champ magnétique à la surface d’un matériau.

Qu’est-ce que l’émergence en physique ?

L’émergence est un concept selon lequel la combinaison de nombreuses entités physiques peut donner naissance à des propriétés qui sont soit plus que, soit différentes de la somme de leurs parties.

Quelle est l’importance de cette découverte ?

Cette découverte est importante car elle pourrait avoir des implications majeures pour les technologies informatiques futures, notamment en permettant des applications logiques et de mémoire de nouvelle génération.

Principaux enseignements

Références

Légende illustration principale : Monopoles magnétiques dans l’hématite. Crédit : Anthony Tan et Michael Hoegen

Les informations de cet article sont basées sur une étude publiée dans la revue Nature Materials.

Reference:
K. C. Tan, Hariom Jani, Michael Högen et al. ‘Revealing Emergent Magnetic Charge in an Antiferromagnet with Diamond Quantum Magnetometry.’ Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01737-4.