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On a vu des champs magnétiques en trois dimensions !

ActualitéClassé sous :physique , champ magnétique en 3D , diffusion de neutrons polarisés

Pour la première fois au monde des chercheurs sont parvenus à reconstruire la structure en 3D d'un champ magnétique à l'aide de faisceaux de neutrons polarisés. La technique permet de visualiser, par exemple, le champ magnétique dans un supraconducteur, ce qui aidera sans doute à mieux comprendre les phénomènes qui s'y déroulent.

Figure 2. Lignes de champ magnétique d'un supraconducteur YCBO flottant visualisées à l'aide de faisceaux de neutrons polarisés. Crédit : Hahn-Meitner-Institut

Depuis 2005, Nikolay Kardjilov et ses collègues du Hahn-Meitner-Institut (HMI) à Berlin  travaillent à la mise au point d'une nouvelle technique d'exploration des propriétés magnétiques des matériaux à l'aide de faisceaux de neutrons polarisés.

La technique de diffusion de neutrons n'est pas nouvelle. Depuis plusieurs dizaines d'années, elle est utilisée au HMI ou encore à l'Institut Laue-Langevin à Grenoble. Les raisons de l'efficacité de cette technique ne sont pas difficiles à comprendre. Il s'agit d'exploiter l'analogue de la diffraction d'ondes lumineuses mais avec des ondes de matière, ce qui est donc un phénomène foncièrement quantique. Ne portant pas de charge électrique, le neutron n'a pas d'interaction électrostatique avec le nuage électronique de l'atome. En revanche, il est sensible aux nucléons du noyau de l'atome. C'est avec ce dernier qu'il interagit par des forces nucléaires, c'est-à-dire à très courte portée (le diamètre d'un noyau est d'environ 10-12 cm).
Ces caractéristiques entraînent une différence importante entre neutrons et rayons X (RX) pour sonder par diffraction la structure d'un matériau. En effet, du fait de ses faibles interactions avec la matière, le neutron possède un grand pouvoir de pénétration. Contrairement aux RX qui ne voient les atomes que sur une épaisseur de quelques µm (10-6 m) sous la surface, les neutrons permettent de sonder la totalité des atomes d'un échantillon massif.

Jusqu'à présent, la formation d'images à l'aide de faisceaux de neutrons reposait principalement sur la façon dont la densité d'un matériau affectait l'intensité des faisceaux  ayant interagi avec lui. Le neutron possède cependant deux caractéristiques importantes qui ne sont pas indépendantes. Il est doté d'un moment magnétique et d'un moment cinétique, ce qui veut dire qu'il se comporte un peu comme une toupie magnétique en rotation dont l'axe s'oriente selon les lignes de champ magnétique à la façon d'une aiguille de boussole.

Figure 1. Lignes de champ d'un dipôle magnétique visualisées à l'aide de faisceaux de neutrons polarisés. Crédit : Hahn-Meitner-Institut

La polarisation des neutrons modifiée par le champ magnétique

Nikolay Kardjilov a entrepris d'exploiter ces caractéristiques des neutrons en développant des filtres pour les polariser et des détecteurs constituant ensemble un système capable d'effectuer de la tomographie, tout comme en médecine. A partir d'une source de neutrons, comme un réacteur nucléaire, produisant ces particules avec un « axe de rotation » aligné de façon aléatoire dans l'espace, on obtient après passage dans un filtre polariseur un faisceau de neutrons dont les moments cinétiques de rotation (spins) sont tous identiquement orientés dans l'espace.

En envoyant un tel faisceau dans une zone où règne un champ magnétique, comme le moment  magnétique et le spin d'un neutron sont reliés et même parallèles, le moment magnétique s'alignera avec les lignes de champs et les orientations des spins à la sortie de cette zone seront différentes. En mesurant à l'aide d'un autre filtre et d'un détecteur ces changements d'orientation, il est possible de remonter à la structure en 2D des lignes de champ magnétique comme on peut le voir sur la figure 1.

En répétant la même technique selon différentes orientations autour de l'objet à étudier, il est possible de reconstruire une image à trois dimensions des lignes de champ dans un matériau magnétique. C'est particulièrement intéressant dans le cas des supraconducteurs à haute température critique car l'on soupçonne que c'est dans la dynamique interne des lignes de champ dans ce genre de supraconducteur, ainsi que dans celle des domaines d’aimantations, que se cache la clé du phénomène de supraconductivité à haute température.

Grâce à la technique des chercheurs du HMI, il est même possible d'obtenir de véritables vidéos des phénomènes magnétiques dans un solide comme par exemple celle de l'effet Meissner, dans lequel on considère une sphère conductrice refroidie progressivement au-dessous de la température à laquelle elle devient supraconductrice. Comme le montre cette vidéo, les lignes de champs magnétiques (en gris-noir) sont alors brusquement expulsées en dehors de la sphère.