Alors que la recherche internationale d'une hypothétique particule jouant le rôle de monopôle magnétique n’est toujours pas couronnée de succès, deux chercheurs de l’Université de Liège ont mis en évidence des monopôles magnétiques dans leur laboratoire ! A l'instar des chercheurs qui ont annoncé en 2008 la découverte de telles quasiparticules dans des matériaux complexes et à très basse température, ils ont prouvé qu'il était possible de créer des monopôles magnétiques à l'aide de petits aimants sphériques achetés quelques euros sur internet... De quoi bousculer les certitudes de nombreux physiciens et surtout de se poser de nouvelles questions en physique.

Des petites billes aimantées ont envahi le bureau du Professeur Nicolas Vandewalle, directeur du GRASP (Laboratoire de recherche en physique statistique de l’Université de Liège). Des billes à base de néodyme, un métal du groupe des terres rares, jadis utilisé notamment  comme pierres à briquet car très malléable à température ambiante. Mais depuis quelques années, on a découvert qu’en alliage avec du fer et du bore (Nd2Fe14B), le néodyme se révélait être un aimant extrêmement puissant. Et aussi…. Un jouet très addictif ! Un click sur internet suffit pour acheter quelques centaines de ces petites billes et commencer à construire les structures les plus étonnantes.

« Très peu de physiciens s’y sont intéressés parce que c’est un jouet, remarque Nicolas Vandewalle. Mais en ce début d’année 2014, il y a déjà trois publications importantes émanant de groupes différents. Un groupe de Cambridge s’intéresse à l’élasticité des chaînes formées de ces billes. Un groupe français a, pour sa part, étudié la formation d’anneaux. Pourquoi ? Parce qu’il existe de plus en plus de matériaux basés sur des colloïdes, particules micrométriques qu’on peut maintenant magnétiser, donc manipuler par des champs magnétiques. On en met ainsi parfois dans des cellules vivantes, ce qui permet par exemple de déplacer des bactéries ! Or ces colloïdes forment aussi des structures en chaînes, anneaux, etc . L’avantage, c’est que les billes sont macroscopiques et peu chères alors que les colloïdes coûtent une fortune !  Mieux vaut donc étudier tous ces phénomènes avec des billes en néodyme ! Enfin, il y a notre publication, ici à Liège (1)».

Chaîne, boucle et frustration !

Voici donc plus d’un an que Nicolas Vandewalle s’est, lui aussi, mis à jouer avec des petits aimants. Mais comme un physicien chevronné peut le faire, en se demandant à chaque instant pourquoi ce qu’il observe se produit. Avec à la clé une première surprise. Lorsqu’on aligne ces petites billes, elles forment une chaîne (photo a). Dans ce cas, les dipôles magnétiques que constitue chacune des billes sont alignés. Mais lorsqu’on plie cette chaîne, elle se redéplie, a tendance à reprendre tout d’abord sa forme initiale : les dipôles sont gênés et ils vont essayer de retrouver leur position d’équilibre. Mais, surprise : à force de plier, on arrive à former un anneau.

Pour y arriver, on doit exercer une certaine force puis, d’un seul coup, l’anneau se forme. En physique, cela signifie qu’on franchit une barrière de potentiel ! La barrière est franchie lorsque l’angle de fermeture est voisin de 280°.  « On s’attend, explique Nicolas Vandewalle, à ce que plus la chaîne est longue, plus l’angle à laquelle la chaîne va se fermer sera grand et tendre vers 360° pour une chaîne infinie. Or ce n’est pas ce que l’on observe, cela tend vers 280°, donc pour une chaîne très longue, cela veut dire que l’interaction entre la première et la dernière bille n’est pas responsable de la fermeture de la chaîne. Pourquoi ? Cela reste un mystère… »

(1) Magnetic ghosts and monopoles. N. Vandewalle and S. Dorbolo 2014 New J. Phys. 16 013050