PSI: observation du mouvement de monopôles magnétiques

Les bancs d'école nous ont appris que les pôles magnétiques apparaissent toujours par paire. Chaque aimant, par exemple une barre magnétique, a toujours un pôle nord et un pôle sud. Ainsi, si l'on sépare un aimant, on n'obtient pas des pôles distincts mais deux nouveaux aimants plus petits ayant chacun un pôle nord et un pôle sud. Cependant, comme le scientifique britannique d'origine suisse Paul Dirac l'avait déduit de ses calculs au début des années 1930, les monopôles magnétiques peuvent exister. Chaque monopôle est en l'espèce relié par une corde appelée «corde de Dirac» à un «partenaire» portant une charge opposée. Pendant longtemps, cette théorie n'a pas pu être démontrée par la voie expérimentale. C'est désormais chose faite depuis l'année dernière.

En 2009, des chercheurs du HZB (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie) ont réussi pour la première fois à créer de tels monopôles dans un matériau magnétique, en collaboration avec des collègues de Dresde, d'Oxford et de St. Andrews (Grande-Bretagne) et de La Plata (Argentine). Mais 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.

Cordes de Dirac rendues directement visibles

Les scientifiques du PSI et du 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, ils ont créé une disposition bidimensionnelle d'aimants minuscules disposés en rayons, chaque aimant mesurant seulement environ 500 nanomètres de longueur et 150 nanomètres de largeur. Les scientifiques ont ainsi créé un matériau magnétique artificiel bidimensionnel. En raison de la similitude avec la disposition d'atomes dans la glace traditionnelle, cette structure a été appelée «glace de spin artificielle».

Les défauts se comportent à la manière de monopôles magnétiques

Laura Heyderman, qui dirige le projet au sein du PSI, explique que «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.» Elle ajoute que 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 apparaissent au niveau des extrémités de l'aimant. «Ces défauts se comportent à la manière de monopôles magnétiques», précise L. 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. Elena Mengotti, qui effectue un doctorat sur la glace de spin artificielle au PSI et qui a effectué la majeure partie des expériences, explique que «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». Et elle précise que même si l'on désactive le champ magnétique extérieur, les monopôles restent sur place. Les chercheurs ont pu suivre ce processus sur un site d'essai de la SLS qui permet de représenter directement l'aimantation des aimants.

Application technique

Hans-Benjamin Braun du University College Dublin admet que la prochaine génération de supports de stockage sera composée de macrospins (nano-aimants) isolés et distincts. 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.»