Les diamants et la rouille aident à dévoiler des quasi-particules « impossibles »

Des chercheurs dirigés par l'Université de Cambridge ont utilisé une technique connue sous le nom de détection quantique du 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 observé que les monopôles magnétiques dans l’hématite émergent du comportement collectif de nombreux spins (le moment cinétique d’une particule). Ces monopôles glissent sur les textures tourbillonnantes à la surface de l’hématite, comme de minuscules rondelles de hockey chargées magnétiquement. C’est la première fois que des monopôles émergents naturels sont observés expérimentalement.

La recherche a également montré le lien direct entre les textures tourbillonnantes auparavant cachées et les charges magnétiques de matériaux comme l’hématite, comme s’il existait un code secret les reliant entre elles. Les résultats, qui pourraient être utiles pour permettre des applications de logique et de mémoire de nouvelle génération, sont rapportés dans la revue Matériaux naturels.

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 être isolés.

“Les aimants que nous utilisons quotidiennement ont deux pôles : nord et sud”, a déclaré le professeur Mete Atatüre, qui a dirigé la recherche. “Au 19^ème siècle, on a émis l’hypothèse que des monopoles pouvaient exister. Mais dans l’une de ses équations fondamentales pour l’étude de l’électromagnétisme, James Clerk Maxwell n’était pas d’accord. »

Atatüre est directeur du laboratoire Cavendish de Cambridge, poste autrefois occupé par Maxwell lui-même. “Si les monopoles existaient et que nous étions capables de les isoler, ce serait comme trouver une pièce manquante d'un puzzle que l'on croyait perdue”, a-t-il déclaré.

Il y a environ 15 ans, des scientifiques ont suggéré l'existence de monopôles 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 cependant une stratégie alternative pour trouver des monopoles, faisant appel à la notion d’émergence. L'idée d'émergence est que la combinaison de nombreuses entités physiques peut donner naissance à des propriétés qui sont soit supérieures, soit différentes de la somme de leurs parties.

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 un espace bidimensionnel, glissant sur les textures tourbillonnantes à la surface d'un matériau magnétique.

Les textures topologiques tourbillonnantes se retrouvent 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.

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

Pour la présente étude, les chercheurs ont utilisé cette technique pour examiner l’hématite, un matériau d’oxyde de fer antiferromagnétique. À leur grande surprise, ils ont découvert des modèles cachés de charges magnétiques dans l’hématite, notamment des monopôles, des dipôles et des quadripôles.

“Les monopôles avaient été prédits théoriquement, mais c'est la première fois que nous observons un monopôle bidimensionnel dans un aimant naturel”, a déclaré le co-auteur, le professeur Paolo Radaelli, de l'Université d'Oxford.

“Ces monopôles sont un état collectif de nombreux spins qui tournoient autour d'une singularité plutôt que d'une seule particule fixe, ils émergent donc à travers des interactions à plusieurs corps. Le résultat est une minuscule particule stable localisée avec un champ magnétique divergent qui en sort.” a déclaré le Dr Hariom Jani, co-premier auteur, de l'Université d'Oxford.

“Nous avons montré comment la magnétométrie quantique du diamant pourrait être utilisée pour élucider le comportement mystérieux du magnétisme dans des matériaux quantiques bidimensionnels, ce qui pourrait ouvrir de nouveaux champs d'étude dans ce domaine”, a déclaré le co-premier auteur, le Dr Anthony Tan, du Laboratoire Cavendish. “Le défi a toujours été l'imagerie directe de ces textures dans des antiferromagnétiques en raison de leur attraction magnétique plus faible, mais nous sommes désormais en mesure de le faire, avec une belle combinaison de diamants et de rouille.”

L’étude met non seulement en évidence le potentiel de la magnétométrie quantique du diamant, mais souligne également sa capacité à découvrir et à étudier les phénomènes magnétiques cachés dans les matériaux quantiques. Si elles sont contrôlées, ces textures tourbillonnantes recouvertes de charges magnétiques pourraient alimenter une logique de mémoire informatique ultra-rapide et économe en énergie.

La recherche a été financée en partie par la Royal Society, l'Institut Sir Henry Royce, l'Union européenne et le Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC), qui fait partie du UK Research and Innovation (UKRI).