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Des monopôles magnétiques dissimulés dans les solides ?

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Paul Dirac. Crédit : th.physik.uni-frankfurt

Hypothétiques charges magnétiques élémentaires, les monopôles magnétiques pourraient exister dans l'Univers. Ces objets étranges n'ont cependant jamais été observés mais une structure équivalente pourrait se cacher dans des milieux magnétiques exotiques : les glaces de spin.

En 1931, l'un des géants de la physique du XXième siècle,  Paul Dirac, s'était interrogé sur une curieuse dissymétrie dans la nature. Alors qu'il existait des charges électriques élémentaires positives et négatives, donc des monopôles électriques, on ne rencontre ordinairement dans la nature que des dipôles magnétiques, comme les aimants. Ne pouvait-il pas exister des pôles magnétiques séparés, des monopôles magnétiques ?

En posant la question dans le cadre de la toute jeune électrodynamique quantique qu'il venait de créer avec Heisenberg, Pauli et Fermi, il découvrit qu'il pouvait effectivement en exister, à condition que des charges électriques élémentaires existent également.

C'était un résultat spectaculaire car, non seulement il conduit à une symétrie supérieure dans le cadre des équations de l'électromagnétisme (celles de Maxwell), mais il explique aussi pourquoi toutes les charges électriques connues à l'époque devaient être un multiple entier de la charge élémentaire e.

Plus tard, notamment grâce aux travaux de Sydney Coleman et Gerard 't Hooft, des monopôles magnétiques firent aussi leur apparition dans le cadre des Théories de Grande Unification, les GUT. Malheureusement, malgré d'intenses recherches en accélérateurs et même dans les rayons cosmiques, les monopôles magnétiques sont restés introuvables.

Quand les spins imitent les molécules d'eau...

Les glaces de spin sont des milieux ferromagnétiques s'aimantant d'une façon particulière à basse température. Il s'y forme une structure similaire à celle existant dans la glace d'eau.

Les molécules d'eau possèdent un moment dipolaire que l'on peut représenter par un vecteur. Lorsque l'eau gèle, il se forme une structure dans laquelle les molécules d'eau s'orientent pour former une sorte de réseau cristallin avec des tétraèdres.

Dans le cas des glaces de spin, un réseau se forme aussi avec des tétraèdres et ceux-ci possèdent des moments magnétiques, que l'on a représentés sous la forme de vecteurs, s'organisant selon les mêmes règles que les moments dipolaires des molécules d'eau dans la glace.

Comme ces moments magnétiques sont reliés à des moments cinétiques, des spins, on parle de glace de spin et c'est cette structure que l'on peut voir sur le schéma ci-dessous.

Analogie entre la structure de la glace et une glace de spin. Crédit : Nature

La règle de formation d'une glace de spin avec un réseau de tétraèdre est alors simple : il doit toujours y avoir aux sommets des tétraèdres deux spins pointant vers l'intérieur et deux autres pointant vers l'extérieur. Ceci peut facilement se vérifier sur le schéma ci-dessus.

Selon certains physiciens, dont Claudio Castelnovo de l'Université de Princeton et des collègues du Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems et de l'Université d'Oxford, dans certaines conditions, des équivalents de charges magnétiques isolées, donc des monopôles magnétiques, doivent apparaître dans des glaces de spin.

D'habitude, les moments magnétiques élémentaires, en s'ajoutant, créent des boucles de champ magnétiques dans les glaces de spin. Mais, selon les calculs des chercheurs exposés dans Nature et sur arxiv.org, il existerait selon la température des états d'orientations de ces moments qui seraient équivalents à des monopôles, avec des champs magnétiques qui ne seraient plus en boucles mais en forme de lignes, s'étendant entre des paires de monopôles de charges opposées.

Il faut toutefois bien comprendre qu'il ne s'agit pas exactement des mêmes monopôles théorisés par Dirac et ses successeurs. En particulier, ils ne peuvent pas exister en dehors des milieux magnétiques où ils prennent naissance. A l'appui de leurs équations, les physiciens signalent que certaines transitions de phase mystérieuses dans les glaces de spin s'expliqueraient facilement si de tels monopôles s'y formaient bel et bien.

Si des monopôles apparaissent bien dans ces milieux magnétiques exotiques, et que l'on peut en contrôler le transport et la localisation, on peut imaginer créer avec eux des mémoires magnétiques de haute densité.