Les monopôles magnétiques en mouvement

Les pôles magnétiques apparaissent toujours par paire. Si l’on sépare en deux une barre magnétique, qui a toujours un pôle nord et un pôle sud, on n’obtient pas des pôles distincts mais deux nouveaux aimants ayant chacun un pôle nord et un pôle sud. De la même manière, lorsque l’on coupe une barre en deux morceaux, on n’obtient pas seulement deux extrémités distinctes mais bien deux barres ayant chacune deux extrémités. Cependant, comme l’avait prédit le scientifique britannique d’origine suisse Paul Dirac dans les années 1930, les différents pôles peuvent également être très éloignés les uns des autres, du moment qu’une seule liaison existe entre eux. Cette liaison, appelée Corde de Dirac, transporte le flux magnétique. L’année dernière, des chercheurs avaient pour la première fois réussi à créer de tels monopôles dans un matériau magnétique. Les cordes de Dirac correspondantes avaient pu être observées seulement à l’aide de dispersion de neutrons et uniquement à des températures proches du zéro absolu.

Des nano-aimants forment des monopôles

Des scientifiques de l’Institut Paul Scherrer PSI et de l’University College de Dublin sont désormais parvenus à observer directement - à température ambiante - les monopôles magnétiques et les cordes de Dirac correspondantes. Pour ce faire, les chercheurs ont créé une disposition bidimensionnelle d’aimants minuscules – chaque aimant mesurait seulement environ 500 nanomètres de longueur et 150 nanomètres de largeur (un nanomètre = un millionième de millimètre). Ils ont ainsi créé un matériau magnétique artificiel bidimensionnel, dont les plus petites parties forment les nano-aimants. Pour l’expérience, les nano-aimants sont disposés dans un modèle hexagonal, de sorte que chaque nano-aimant touche deux autres nano-aimants à son extrémité. En raison de la similitude éloignée avec la disposition d’atomes dans la glace traditionnelle, cette structure a été appelée glace de spin artificielle. Pour notre expérience, nous avons préparé les nano-aimants de telle sorte qu’au niveau des points de jonction, alternativement deux pôles nord et un pôle sud ou deux pôles sud et un pôle nord se heurtent, explique Laura Heyderman, qui a dirigé le projet au sein de PSI. Si, dans une telle disposition, l’on replie le sens d’aimantation d’un aimant à l’aide d’un champ magnétique extérieur, deux défauts par rapport à la disposition initiale apparaissent au niveau des extrémités de l’aimant. Ces défauts se comportent à la manière de monopôles magnétiques, explique Laura Heyderman.

Si l’on amplifie le champ magnétique extérieur, l’aimantation des aimants voisins est également repliée. Ce repli se poursuit comme dans le cas d’une rangée de dominos, de sorte que les deux monopôles d’une paire s’éloignent l’un de l’autre – l’un toujours vers la droite, l’autre vers la gauche, explique Elena Mengotti, qui effectue un doctorat sur la glace de spin artificielle au PSI et qui a effectué la majeur partie des expériences. Les deux monopôles restent toujours liés par un chemin unidimensionnel d’aimants sur lesquels le pôle nord de l’un de ces aimants heurte le pôle sud du suivant pour former ainsi la corde de Dirac. Même si l’on désactive le champ magnétique extérieur, les monopôles restent sur place, comme congelés dans la glace de spin.

La lumière Synchrotron montre le magnétisme

Sur un site d’essai dédié aux analyses magnétiques à la Source de Lumière Suisse Synchrotron (SLS) de l’Institut Paul Scherrer, les chercheurs ont pu observer comment la direction d’aimantation des différents nano-aimants est modifiée et montrer ainsi comment les monopôles se déplacent. La SLS permet en effet de représenter directement l’aimantation des aimants et, par conséquent, de visualiser pour la première fois le mouvement des monopôles et la croissance de la corde de Dirac. Ces expériences ont pu être réalisées à température ambiante.

La théorie derrière l’expérience

Une inversion d’aimantation à la manière d’une avalanche, le long d’une corde de Dirac unidimensionnelle, comme ce qui a pu être observé ici, est un nouveau phénomène magnétique. Il se distingue sensiblement de procédés dans d’autres matériaux magnétiques, tels qu’utilisés actuellement dans des disques durs magnétiques. Le comportement observé a pu être expliqué dans des études théoriques de l’équipe au sein de l’University College de Dublin. Nos résultats constituent non seulement une avancée dans l’observation directe de monopôles et de cordes de Dirac dans la glace de spin artificielle, mais ils ont aussi montré pour la première fois comment il était possible d’influer leur mouvement, explique Hans-Benjamin Braun, responsable du projet au sein de l’University College.

Des composants numériques qui utilisent les flux magnétiques

Les connaissances obtenues peuvent également avoir une importance essentielle pour l’architecture des mémoires magnétiques de demain. On prévoit ainsi que la prochaine génération de supports de stockage sera composée de macrospins isolées et distinctes – comme nos nano-aimants – explique Hans-Benjamin Braun. Laura Heyderman ajoute: Dans une prochaine étape, nous voulons comprendre comment l’on peut influer sur les monopôles de manière plus ciblée et sur les échelles les plus petites afin de pouvoir les utiliser comme supports de mémoire ou pour des opérations logistiques. L’idée est de concevoir des composants numériques dans lesquels on utiliserait des flux de monopôles magnétiques à la place des flux électriques.

L’équipe

Elena Mengotti est doctorante à l’Institut Paul Scherrer. Elle bénéficie d’un soutien de la part du Fonds national suisse et a effectué les travaux expérimentaux dans le cadre du projet.

Frithjof Nolting et Arantxa Fraile Rodríguez de PSI sont spécialisés dans les domaines de la spectroscopie magnétique et dans la microscopie. Ils ont dirigé les travaux expérimentaux au niveau de la Source de Lumière Suisse Synchrotron (SLS).

Hans-Benjamin Braun (responsable de groupe) et Remo Hügli (post-doctorant) de l’University College de Dublin ont développé la théorie vers l’expérience et ont effectué des simulations numériques du système.

Laura Heyderman (directrice du groupe Nanostructures magnétiques à l’Institut Paul Scherrer) et Hans-Benjamin Braun ont dirigé le travail de recherche commun.

Texte: Paul Piwnicki

A propos du PSI

L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté des chercheurs suisses et internationaux. Les thèmes principaux des recherches qui y sont menées en interne sont la physique sur les solides et les sciences des matériaux, la physique des particules élémentaires, la biologie et la médecine, la recherche énergétique et environnementale. Avec 1400 collaborateurs et un budget annuel de 300 millions de CHF environ, c’est le principal institut de recherche suisse.