Visualiser des champs magnétiques puissants en utilisant des neutrons

Comme leur nom l’indique, les neutrons sont électriquement neutres vis-à-vis du monde extérieur. On les retrouve aussi comme composants de presque tous les noyaux atomiques. Comme ils ont pour particularité de posséder ce qu’on appelle un spin, les neutrons entrent en interaction avec les champs magnétiques. Or, comme viennent de le montrer des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI, cette propriété peut aussi être exploitée pour visualiser des champs magnétiques. Les scientifiques ont utilisé à cet effet des neutrons polarisés, ce qui veut dire que tous ces neutrons avaient un spin orienté dans la même direction.

Lorsque des faisceaux de neutrons polarisés traversent un champ magnétique, il est possible de détecter au-delà de ce même champ une diffraction du faisceau de neutrons. Le diagramme de diffraction ainsi obtenu permet à son tour de reconstituer le champ magnétique et, notamment, ses différences d’intensité. Pour la première fois, des champs magnétiques ont été étudiés avec cette méthode, aussi connue sous le nom d'interférométrie à réseau à faisceau de neutrons polarisés.

Un million de fois plus puissant que le champ magnétique terrestre

L’interférométrie à réseau à faisceau de neutrons polarisés permet de mesurer des champs magnétiques très puissants qui présentent ce qu’on appelle une force de gradient d’un tesla par centimètre. «On évolue alors dans des ordres de grandeur environ un million de fois plus puissants que le champ magnétique terrestre», explique Christian Grünzweig, chercheur spécialisé dans le domaine des neutrons à l’Institut Paul Scherrer PSI. Jusque-là, les neutrons permettaient seulement de mesurer des champs magnétiques nettement plus faibles.

Des alternateurs aux appareils d’imagerie à résonance magnétique

De nombreuses applications sont imaginables pour la nouvelle méthodes, notamment parce que les neutrons traversent la plupart des matériaux sans les endommager. «Nous pouvons aussi déterminer de cette manière les champs magnétiques d’aimants qui restent difficilement accessibles parce qu’ils sont déjà intégrés dans un appareillage, relève Jacopo Valsecchi, premier auteur de l’étude et doctorant au PSI. Les applications vont des alternateurs dans les moteurs de voiture aux champs magnétiques des appareils d’imagerie à résonance magnétique utilisés en médecine, en passant par de nombreux composants du système d’alimentation en énergie.»

Les chercheurs ont démontré que leur méthode fonctionnait, notamment en simulant les résultats attendus d’une mesure à l’aide de modèles informatiques. Ils ont ensuite vérifié si une mesure réelle débouchait bel et bien sur des résultats comparables. «Les résultats de la simulation et ceux des mesures réelles coïncident en tout point», confirme Christian Grünzweig.

La nouvelle méthode permet également de démontrer des fluctuations dans le champ magnétique. En effet, les aimants permanents, comme ceux que l’on met sur la porte de son réfrigérateur, n’ont pas un champ magnétique homogène. «Nous avons désormais la possibilité de déterminer les gradients lorsqu'il y en a, même s’il s’agit d’un champ magnétique très puissant», note Jacopo Valsecchi.

Les chercheurs publient à présent leurs résultats dans la revue spécialisée Nature Communications.

Texte: Institut Paul Scherrer/Sebastian Jutzi