Une équipe de chercheurs de l’institut Paul Scherrer et de l’University College de Dublin a réussi à observer, grâce à une technique de microscopie, des monopôles magnétiques similaires aux véritables charges élémentaires postulées par Paul Dirac au siècle dernier.
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Remontez presque 80 ans en arrière, peu après la découverte des principes de la théorie quantique. L'un de ceux qui les a le mieux compris est un jeune Anglais du nom de Paul DiracPaul Dirac. Profondément convaincu par la nécessité de l'élégance mathématique des lois de la physiquephysique, il s'interroge en 1931 sur une curieuse dissymétrie dans les équations de Maxwelléquations de Maxwell décrivant les phénomènes électromagnétiques.

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. Pourquoi n'existerait-il pas aussi des pôles magnétiquespôles magnétiques séparés, des monopôles magnétiquesmonopôles magnétiques, donc ?

Paul Dirac, le génie de la mécanique quantique

Cette dissymétrie est encore plus nette lorsque l'on écrit les équations de Maxwell sous une forme exhibant l'existence de l'espace-tempsespace-temps de la relativité restreinte. Grand maître de l'unification de cette théorie d'EinsteinEinstein avec la mécanique quantiquemécanique quantique, Dirac découvre alors qu'il est tout à fait possible d'introduire des charges magnétiques élémentaires, mais uniquement si toutes les charges électriques sont des multiples entiers de la charge élémentaire de l'électronélectron (voir la vidéo sur Paul Dirac).

Il s'agit là d'un résultat foncièrement quantique, donc à priori réservé aux mondes de l'atomeatome et des particules élémentairesparticules élémentaires. Pourtant, on a découvert il y a peu que des analogues des monopôles de Dirac existaient bel et bien dans des matériaux magnétiques connus sous le nom de glace de spin.

Des monopôles magnétiques comme défauts dans un matériau

Tout récemment, des chercheurs de l'institut Paul Scherrer (PSI) et de l'University College de Dublin, ont trouvé à nouveaux des monopôles magnétiques dans ce genre de matériaumatériau, mais un matériau cette fois-ci formé d'un réseau Kagomé de nano-aimants. Ces réseaux à la structure de nids d'abeilles ne leur sont cependant pas identiques.

La performance des physiciensphysiciens est d'autant plus intéressante qu'ils ont réussi à obtenir des images de ces monopoles magnétiques effectifs et de leur « corde de Dirac » associée. Pour cela, ils ont utilisé le rayonnement synchrotronrayonnement synchrotron dans le domaine des rayons Xrayons X de la source de LumièreLumière suisse synchrotron (SLS) pour faire de la PEEM (PhotoEmission Electron Microscopy).

Représentation schématique des monopôles magnétiques dans un réseau Kagomé de nano-aimants. Les flèches indiquent dans quelle direction les différents aimants sont attirés. Pointe de la flèche : pôle nord, bas de la flèche : pôle sud. Le pôle nord correspond à une charge magnétique positive et le pôle sud, à une charge négative. Situation initiale : tous les aimants sont aimantés dans la même direction, bien que d'orientations différentes. © PSI/E. Mengotti
 
Représentation schématique des monopôles magnétiques dans un réseau Kagomé de nano-aimants. Les flèches indiquent dans quelle direction les différents aimants sont attirés. Pointe de la flèche : pôle nord, bas de la flèche : pôle sud. Le pôle nord correspond à une charge magnétique positive et le pôle sud, à une charge négative. Situation initiale : tous les aimants sont aimantés dans la même direction, bien que d'orientations différentes. © PSI/E. Mengotti

Les nano-aimants formant le réseau Kagomé ont environ 500 nanomètresnanomètres de longueur et 150 nanomètres de largeur. Ils sont disposés selon un modèle hexagonal où chaque nano-aimant en touche deux autres à son extrémité. Au niveau des points de jonction, il existe alternativement deux pôles nord et un pôle sud ou deux pôles sud et un pôle nord.  En raison de la similitude avec la disposition des atomes d'oxygèneoxygène et d'hydrogènehydrogène dans la glace d'eau, on nomme cette structure une « glace de spinglace de spin artificielle ».

Le sens d’aimantation d’un nano-aimant a été modifié : deux défauts par rapport à la disposition initiale sont apparus aux deux extrémités. © PSI/E. Mengotti

Le sens d’aimantation d’un nano-aimant a été modifié : deux défauts par rapport à la disposition initiale sont apparus aux deux extrémités. © PSI/E. Mengotti

La disposition des nano-aimants peut être modifiée par des champs magnétiqueschamps magnétiques extérieurs et des défauts dans l'orientation régulière de ces aimants peuvent apparaître. Comme ces défauts sont susceptibles de se déplacer, ils sont comme des particules en mouvementmouvement, douées de propriétés spécifiques.

Ces défauts se comportent à la manière de monopôles magnétiques libres. On voit naître une « corde de Dirac ». © PSI/E. Mengotti

Ces défauts se comportent à la manière de monopôles magnétiques libres. On voit naître une « corde de Dirac ». © PSI/E. Mengotti

Tout se passe alors comme si une paire de monopôles magnétiques effectifs prenait naissance dans ce matériau quasi bidimensionnel. On peut le comparer à une file de voituresvoitures également espacées, dans laquelle une place vacante a été laissée. Elle pourra être déplacée arbitrairement loin dans la file en bougeant les voitures.

De façon intéressante, l'analogue de la « corde de Dirac » apparaît également dans ce matériau magnétique. Il s'agit en fait d'une constructionconstruction mathématique trop complexe pour être abordée ici mais qui, physiquement, peut en partie se voir comme une région où  se trouverait un solénoïdesolénoïde infiniment fin reliant les deux monopôles. Ces derniers seraient alors les zones d'où émerge le flux de champ magnétique généré par le solénoïde.

D’autres aimants ont vu leur orientation changer : les monopôles se sont éloignés les uns des autres, mais se sont liés à partir d’aimants retournés par le biais d’une « corde de Dirac ». © PSI/E. Mengotti

D’autres aimants ont vu leur orientation changer : les monopôles se sont éloignés les uns des autres, mais se sont liés à partir d’aimants retournés par le biais d’une « corde de Dirac ». © PSI/E. Mengotti

La physicienne Elena Mengotti, qui a effectué la majeure partie des expériences, nous explique que dans le cas de la glace de spin étudiée : « Les deux monopôles restent toujours liés par un chemin unidimensionnel d'aimants sur lesquels le pôle nord de l'un de ces aimants touche le pôle sud du suivant pour former ainsi la corde de Dirac ».

Les monopôles au microscope PEEM

En bombardant le réseau Kagomé de nano-aimants avec des rayons X, des électrons sont émis qui peuvent être collectés pour former des images. C'est le principe de la PEEM. Sur ces images, on peut clairement voir l'apparition de paires de monopôles magnétiques, les « cordes de Dirac » les reliant, et leurs mouvements au cours du temps.

 Image a : paires de monopôles magnétiques obtenues grâce à la technique de microscopie électronique de PEEM (<em>PhotoEmission Electron Microscopy</em>), les images ci-dessous (b puis c) montrent des zones sombres qui correspondent aux endroits où le sens d’aimantation a été inversé. Ici, toujours en PEEM, aucun monopôle n'est encore visible. © PSI

 Image a : paires de monopôles magnétiques obtenues grâce à la technique de microscopie électronique de PEEM (PhotoEmission Electron Microscopy), les images ci-dessous (b puis c) montrent des zones sombres qui correspondent aux endroits où le sens d’aimantation a été inversé. Ici, toujours en PEEM, aucun monopôle n'est encore visible. © PSI 
Image b : à nouveau, les zones sombres correspondent aux endroits où le sens d’aimantation a été inversé. On voit en haut à gauche deux monopôles liés par une « corde de Dirac ». © PSI

Image b : à nouveau, les zones sombres correspondent aux endroits où le sens d’aimantation a été inversé. On voit en haut à gauche deux monopôles liés par une « corde de Dirac ». © PSI

Indépendamment de son intérêt intrinsèque, cette nouvelle observation de monopôles magnétiques en physique de la matièrematière condensée pourrait avoir des applicationsapplications dans les mémoires magnétiques de demain. Que donnerait aussi une électronique basée non plus sur des courants de charges électriques mais des courants de charges magnétiques ?

Retrouvez plus de détails sur la découverte des physiciens dans l'article de la revue Nature.