Cela vous intéressera aussi

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

En 1931, l'un des géants de la physiquephysique 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 aimantsaimants. Ne pouvait-il pas exister des pôles magnétiquespôles magnétiques séparés, des monopôles magnétiques ?

En posant la question dans le cadre de la toute jeune électrodynamique quantiqueélectrodynamique 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 équationséquations de l'électromagnétismeélectromagnétisme (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 GUTGUT. Malheureusement, malgré d'intenses recherches en accélérateurs et même dans les rayons cosmiquesrayons cosmiques, les monopôles magnétiques sont restés introuvables.

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

Les glaces de spin sont des milieux ferromagnétiquesferromagnétiques 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 moléculesmolécules d'eau possèdent un moment dipolairemoment 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 cristallinréseau 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 magnétiquesmoments 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 cinétiquesmoments 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 : <em>Nature</em>

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 physiciensphysiciens, dont Claudio Castelnovo de l'Université de Princeton et des collègues du Max PlanckPlanck 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 magnétiqueschamp 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 phasetransitions 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 exotiquesexotiques, et que l'on peut en contrôler le transport et la localisation, on peut imaginer créer avec eux des mémoires magnétiques de haute densité.