Le cobalt cache un réseau d’états quantiques stables à température ambiante

Le cobalt est l’un des aimants les plus étudiés sur Terre, le genre d’élément qui remplit les manuels et se retrouve aussi bien dans les batteries que dans les moteurs d’avion. Des physiciens du Helmholtz-Zentrum Berlin viennent de découvrir qu’il dissimulait un dense réseau d’états électroniques exotiques, et que ce réseau tient à température ambiante.

Ces états portent le nom de lignes nodales magnétiques. Ce sont des endroits où deux courants d’électrons, triés selon le sens de leur spin, se croisent sans se heurter et tracent des chemins continus à travers le cristal au lieu de se rejoindre en points isolés. De telles propriétés relèvent de la topologie, la branche de la physique qui décrit des traits si profondément inscrits dans la structure d’un matériau que les perturbations ordinaires ne peuvent les effacer. Dans le cobalt, l’équipe a trouvé ces croisements tissés dans tout le métal, et non cantonnés à un recoin rare.

Ce qui frappe, ce n’est pas seulement que ces états existent, mais qu’ils survivent à la chaleur d’une pièce ordinaire. L’essentiel du comportement quantique que traquent les physiciens n’apparaît qu’au voisinage du zéro absolu, là où la chaleur est retirée et où les effets fragiles deviennent enfin visibles. Les lignes nodales du cobalt persistent des centaines de degrés plus haut, et c’est toute la différence entre une curiosité de laboratoire et quelque chose qu’un véritable dispositif pourrait exploiter.

Pour les observer, les chercheurs ont eu recours à la spectroscopie de photoémission résolue en angle et en spin, une technique qui arrache des électrons à un matériau au moyen de la lumière et enregistre à la fois leur énergie et le sens de leur spin. Ils l’ont menée à BESSY II, un synchrotron berlinois qui produit la lumière intense et finement réglée qu’exige la mesure. La résolution supplémentaire leur a permis de cartographier la structure électronique du cobalt avec bien plus de détail que les travaux antérieurs, et c’est ainsi qu’un réseau passé inaperçu pendant des décennies a fini par se révéler.

« C’est exactement le genre de fonctionnalité marche-arrêt recherchée pour les applications pratiques », déclare Jaime Sánchez-Barriga, qui a dirigé l’équipe internationale. Comme ces états sont liés au magnétisme du cobalt, inverser le sens d’un champ magnétique permet de les piloter, un levier que les ingénieurs convoitent pour la spintronique, une électronique qui code l’information dans le spin de l’électron plutôt que dans la charge et promet des puces plus rapides et moins chaudes.

Il s’agit d’une mesure des propriétés d’un matériau, pas d’un dispositif en état de marche, et l’écart est considérable. Cartographier des états topologiques dans un cristal sous un faisceau de synchrotron est très loin de fabriquer une puce qui les exploite à grande échelle, et d’autres équipes devront reproduire le résultat et vérifier si l’effet tient en dehors d’échantillons soigneusement préparés. Les auteurs présentent le cobalt comme une plateforme ajustable à explorer, non comme une technologie achevée.

Reste que l’attrait tient en partie à la banalité même du cobalt. Un matériau déjà extrait, raffiné et fabriqué à l’échelle industrielle serait bien plus facile à adopter que les composés rares ou délicats qui dominent la recherche quantique.

Les résultats ont paru dans la revue Communications Materials. L’équipe compte cartographier la réponse des lignes nodales lorsqu’on fait tourner le champ magnétique, prochaine étape pour savoir si l’architecture cachée du cobalt peut être mise au travail.

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