Dans une nouvelle étude publiée dans le journal Sciencedes physiciens de l’Université de Princeton ont testé les aimants frustrés – ainsi nommés parce qu’ils devraient être magnétiques à basse température mais ne le sont pas – pour voir s’ils présentent le fameux effet Hall.
Visualisation des champs magnétiques. Crédit image : Windell Oskay / CC BY 2.0.
En 1879, le célèbre physicien américain Edwin H. Hall a observé que lorsqu’un courant électrique traverse un échantillon placé dans un champ magnétique, un potentiel proportionnel au courant et au champ magnétique se développe à travers le matériau dans une direction perpendiculaire au courant et au champ magnétique.
Cet effet est connu sous le nom d’effet Hall, et est à la base de nombreuses applications pratiques et de dispositifs tels que les imprimantes d’ordinateur et les systèmes de freinage antiblocage des automobiles.
Parce que l’effet se produit dans des particules chargées, la plupart des chercheurs pensaient qu’il serait impossible d’observer un tel comportement dans des particules non chargées comme celles des aimants frustrés.
Néanmoins, certains scientifiques ont émis l’hypothèse que les particules non chargées des aimants frustrés pourraient se plier à la règle de Hall dans des conditions de froid extrême, où les particules se comportent selon les lois de la mécanique quantique plutôt que selon les lois physiques classiques que nous observons dans notre monde quotidien. L’exploitation du comportement quantique pourrait permettre des innovations révolutionnaires dans le domaine de l’informatique et des appareils électroniques.
Le professeur N. Phuan Ong et ses collègues de Princeton ont décidé de voir s’ils pouvaient trancher le débat et démontrer de manière concluante que l’effet Hall existe pour les aimants frustrés. Pour ce faire, ils se sont tournés vers une classe d’aimants appelée pyrochlores.
Les pyrochlores contiennent des moments magnétiques qui, à des températures proches du zéro absolu, devraient s’aligner de manière ordonnée afin que tous leurs “spins” pointent dans la même direction. Or, les expériences ont révélé que les spins pointent dans des directions aléatoires. Ces matériaux frustrés sont également appelés “glace à spin quantique”.
Les expériences ont été réalisées à des températures de 0,5 degré Kelvin, et l’équipe du professeur Ong a dû résoudre des différences de température aussi faibles qu’un millième de degré entre les bords opposés d’un cristal.
Les scientifiques ont d’abord synthétisé le pyrochlore Tb2Ti2O7 à partir d’oxyde de terbium et d’oxyde de titane dans un four de laboratoire, puis obtenu de fines plaques transparentes ou orange de la taille d’une graine de sésame.
Pour tester chaque cristal, ils ont fixé de minuscules électrodes en or à chaque extrémité de la dalle, en utilisant des micro-chauffeurs pour faire passer un courant thermique à travers le cristal. En même temps, ils ont appliqué un champ magnétique dans la direction perpendiculaire au courant thermique. À leur grande surprise, ils ont constaté que le courant thermique était dévié vers un côté du cristal. Ils avaient observé l’effet Hall dans un matériau non magnétique.
“Nous avons tous été très surpris parce que nous travaillons et jouons dans le monde classique, non quantique. Le comportement quantique peut sembler très étrange, et c’est un exemple où quelque chose qui ne devrait pas se produire est vraiment là. Il existe vraiment”, a déclaré le professeur Ong, qui est l’auteur principal de l’article.
