En quoi cela est-il important ?

Le monopôle magnétique, c’est un peu le monstre du Loch Ness de la physique. Une question jamais résolue, extrêmement irritante. L’électricité et le magnétisme sont unis dans les équations de Maxwell et l’un est source de l’autre et réciproquement…. Pourtant, s’il existe des charges électriques libres (les électrons – ou les protons +) qui en outre ont toujours la même valeur (1 ,6 10 -19 coulomb), personne n’a jamais pu observer une charge magnétique libre. Chacun peut en faire l’expérience : lorsqu’on casse un aimant en deux, on obtient deux aimants –et ainsi de suite à l’infini- mais jamais un aimant nord d’un côté, un sud de l’autre. Ce sont toujours des dipôles, qui contiennent un nord et un sud, même en cassant l’aimant jusqu'au niveau atomique ! Quoi de plus horripilant !

Paul Dirac postule cependant l’existence de monopôles en 1931 dans le cadre de la physique quantique, les rendant nécessaires pour expliquer la quantification de la charge… électrique. Depuis lors, les physiciens sont partis à la chasse à cette particule hypothétique (dans les accélérateurs, dans l’espace et même dans les roches !), sans aucun succès. Jusqu’à ces dernières années et l’apparition des ces matériaux appelés « glace de spin » dans lesquels on parvient à faire apparaître des défauts, des points de frustration, comme le montre une expérience réalisée en 2010 par des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer en Suisse et de l’Unversity College de Dublin, lesquels points ne sont certes pas des monopôles proprement dits (ils ne sont pas des particules indépendantes) mais se comportent comme tels.

« C’est exactement ce qui se passe avec mes petites billes aimantées, explique Nicolas Vandewalle. J’ai donc fait les calculs et j’ai regardé comment se comportaient ces dipôles frustrés observés dans les chaînes de petites billes. J’ai constaté que la bille du milieu, celle qui est frustrée, se comporte tout à fait comme les monopôles des glaces de spin. Avec un avantage considérable : nul besoin d’appareillage sophistiqué ni de conditions extrêmes pour les étudier ! »

La suite ? Le professeur Vandewalle s’intéresse aujourd’hui aux structures planes réalisées avec ces petits aimants. « J’ai remarqué sur internet que beaucoup de ces structures comportaient des trous ! Ces joueurs avaient constaté empiriquement que la présence de ces trous les rendait plus stables. J’ai fait des expériences qui ont montré l’exactitude de ces observations : si on prend un petit hexagone, et qu’on insère une bille pour le remplir, ce n’est plus plane ! Cela ondule. Pour que ce soit un vrai plan, il faut laisser un trou. Or, on retrouve le même phénomène en mécanique quantique des supraconducteurs : la façon dont les lignes de champ traversent un objet plein ou troué est tout à fait différente. Et je l’observe ici à l’échelle macroscopique ! Autre projet, étudier la dynamique de ces systèmes, par exemple des collisions : une bille lancée sur un anneau ne se colle pas, mais elle vient s’insérer dedans. De même, si on lance deux anneaux l’un contre l’autre, le comportement va dépendre de l’orientation des dipôles ! Avec ces petits aimants, on peut dégager des lois physiques très complexes ! »