Des monopôles magnétiques apparaissent dans l’hématite – Physics World

Des physiciens des universités d'Oxford et de Cambridge au Royaume-Uni ont repéré des signatures de monopôles magnétiques et d'autres structures magnétiques inhabituelles dans l'hématite, un oxyde de fer antiferromagnétique naturel. Les structures, que les chercheurs ont découvertes à l'aide de mesures de détection quantique, pourraient constituer la base de nouveaux dispositifs tels que des mémoires de piste de course et un calcul neuromorphique ultra-rapide et économe en énergie.

Un barreau magnétique ordinaire se compose d’un pôle nord et d’un pôle sud. Coupez-le en deux, et chacune des moitiés obtenues – aussi petite soit-elle – aura également deux pôles. En effet, la nature bipolaire du magnétisme est si fondamentale qu'elle apparaît dans les équations de Maxwell, qui impliquent que même si des charges électriques positives et négatives isolées existent, les charges magnétiques isolées ne le peuvent pas.

Au cours de la révolution quantique des années 1920 et 1930, certains physiciens ont commencé à spéculer sur la nécessité de réviser ce principe de l’électromagnétisme classique. En 1931, Paul Dirac fut le premier à prédire que des monopôles magnétiques – des particules élémentaires qui agissent comme des pôles magnétiques nord et sud isolés et sont les analogues magnétiques des charges électriques – pourraient exister. Bien que les monopôles magnétiques du type envisagé par Dirac n’aient jamais été considérés comme des particules libres, il a depuis été découvert que des matériaux exotiques connus sous le nom de glaces de spin hébergeaient des états collectifs qui les imitent.

Modèles tourbillonnants de charges magnétiques

Une équipe de chercheurs dirigée par Météo Atatüre, la tête de Laboratoire Cavendish de Cambridge, a maintenant observé un type « émergent » similaire de monopôle magnétique dans l’hématite. Ces monopôles sont des états collectifs de nombreux spins tourbillonnants (moments angulaires inhérents aux électrons) qui, ensemble, agissent comme une particule stable localisée avec un champ magnétique émanant d'elle. "Ces 'tourbillons antiferromagnétiques' (appelés mérons, antitimerons et bimères) dans l'hématite sont associés à des 'monopoles magnétiques émergents'", explique le co-responsable de l'équipe. Paolo Radaelli, physicien à Oxford. "Ces tourbillons révèlent leur emplacement et nous sommes en mesure d'étudier leur comportement grâce à la magnétométrie quantique au diamant et à d'autres techniques de balayage."

En magnétométrie quantique au diamant, un seul tour dans une minuscule aiguille en diamant est utilisé pour mesurer avec précision et de manière non invasive le champ magnétique à la surface d’un matériau. "La magnétométrie quantique peut détecter de très petits champs magnétiques", explique Atatüre. "Par conséquent, il est parfaitement adapté pour cartographier l'ordre magnétique dans les antiferromagnétiques, une classe spéciale de matériaux magnétiques dans lesquels l'aimantation locale s'annule presque."

Une nouvelle approche payante

Les chercheurs, qui rapportent leurs travaux Nature Materials, a repéré plusieurs structures magnétiques inhabituelles dans l'hématite en utilisant cette technique, notamment des monopôles bidimensionnels, des dipôles et des quadripôles. C'est la première fois qu'un monopôle bidimensionnel est observé dans un aimant naturel, disent-ils. Radaelli ajoute que l'équipe ne s'attendait pas à voir grand-chose car les textures de spin antiferromagnétiques étaient considérées comme insaisissables et seulement observable à l'aide de techniques de rayons X complexes.

« Nous avons envoyé nos échantillons à Mete et à ses collègues de Cambridge sans savoir exactement à quoi nous attendre », explique-t-il. « Je me souviens d’en avoir discuté et d’avoir pensé que nous ne verrions rien. Lorsque les images de Cambridge ont commencé à affluer, nous avons débattu de différentes interprétations jusqu’à ce que des simulations quantitatives révèlent l’origine microscopique du signal.

Ce n'est qu'à ce moment-là que l'équipe a compris la nature monopolaire de la structure magnétique observée et a fait le lien avec des exemples de monopôles dans la littérature scientifique, raconte-t-il. Monde de la physique.

Lecture et classification

Quant aux candidatures, membre de l'équipe Hariom Jani, chercheur postdoctoral à Oxford et premier auteur de l'étude, suggère que les monopoles nouvellement observés pourraient servir d'indicateurs pour d'autres effets inhabituels. "L'interconnexion entre les charges magnétiques, qui sont les sources/puits de champs minuscules, et le sens sinueux des tourbillons antiferromagnétiques est très utile car elle ouvre une voie facile pour lire et classer les états antiferromagnétiques exotiques", dit-il.

Monopôles magnétiques trouvés cachés dans des cristaux chiraux topologiques

Son collègue de Cambridge, doctorant Anthony Tan, est d'accord. "Nos travaux mettent en évidence le potentiel de la magnétométrie quantique du diamant pour découvrir et étudier les phénomènes magnétiques cachés dans les matériaux quantiques, ce qui pourrait aider à ouvrir la voie à de nouveaux domaines d'étude dans ce domaine", dit-il.

L'objectif ultime de l'équipe, selon Radaelli, est de construire des dispositifs du monde réel pour l'informatique de nouvelle génération utilisant ces tourbillons antiferromagnétiques. « Nous travaillons en parallèle sur deux concepts distincts : l'un basé sur l'émulation de neurones biologiques ; et l'autre sur ce qu'on appelle les hippodromes, c'est-à-dire des « autoroutes » nanoscopiques pour les tourbillons », dit-il. La construction de tels dispositifs nécessitera la fabrication de contacts électriques, de câbles et de transducteurs à l'échelle nanométrique, ajoute-t-il : « Nous prévoyons que les techniques de balayage multi-sondes, telles que la magnétométrie quantique au diamant, nous permettront d'accélérer ce travail. »

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• La source: https://physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-appear-in-haematite/