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Figure 2. Lignes de champ magnétique d'un supraconducteur YCBO flottant visualisées à l'aide de faisceaux de neutrons polarisés. Crédit : Hahn-Meitner-Institut
Depuis 2005, Nikolay Kardjilov et ses collègues du Hahn-Meitner-Institut (HMI) à Berlin travaillent à la mise au point d'une nouvelle technique d'exploration des propriétés magnétiques des matériaux à l'aide de faisceaux de neutrons polarisés.
La technique de diffusion de neutrons n'est pas nouvelle. Depuis plusieurs dizaines d'années, elle est utilisée au HMI ou encore à l'Institut Laue-Langevin à Grenoble. Les raisons de l'efficacité de cette technique ne sont pas difficiles à comprendre. Il s'agit d'exploiter l'analogue de la diffraction d'ondes lumineuses mais avec des ondes de matière, ce qui est donc un phénomène foncièrement quantique. Ne portant pas de charge électrique, le neutron n'a pas d'interaction électrostatiqueélectrostatique avec le nuagenuage électronique de l'atome. En revanche, il est sensible aux nucléons du noyau de l'atome. C'est avec ce dernier qu'il interagit par des forces nucléaires, c'est-à-dire à très courte portée (le diamètre d'un noyau est d'environ 10-12 cm).
Ces caractéristiques entraînent une différence importante entre neutrons et rayons Xrayons X (RX) pour sonder par diffraction la structure d'un matériaumatériau. En effet, du fait de ses faibles interactions avec la matière, le neutron possède un grand pouvoir de pénétration. Contrairement aux RX qui ne voient les atomes que sur une épaisseur de quelques µm (10-6 m) sous la surface, les neutrons permettent de sonder la totalité des atomes d'un échantillon massif.
Jusqu'à présent, la formation d'images à l'aide de faisceaux de neutrons reposait principalement sur la façon dont la densité d'un matériau affectait l'intensité des faisceaux ayant interagi avec lui. Le neutron possède cependant deux caractéristiques importantes qui ne sont pas indépendantes. Il est doté d'un moment magnétiquemoment magnétique et d'un moment cinétiquemoment cinétique, ce qui veut dire qu'il se comporte un peu comme une toupie magnétique en rotation dont l'axe s'oriente selon les lignes de champ magnétiquechamp magnétique à la façon d'une aiguille de boussole.
Figure 1. Lignes de champ d'un dipôle magnétique visualisées à l'aide de faisceaux de neutrons polarisés. Crédit : Hahn-Meitner-Institut
La polarisation des neutrons modifiée par le champ magnétique
Nikolay Kardjilov a entrepris d'exploiter ces caractéristiques des neutrons en développant des filtres pour les polariser et des détecteurs constituant ensemble un système capable d'effectuer de la tomographietomographie, tout comme en médecine. A partir d'une source de neutrons, comme un réacteur nucléaire, produisant ces particules avec un « axe de rotation » aligné de façon aléatoire dans l'espace, on obtient après passage dans un filtre polariseur un faisceau de neutrons dont les moments cinétiques de rotation (spinsspins) sont tous identiquement orientés dans l'espace.
En envoyant un tel faisceau dans une zone où règne un champ magnétique, comme le moment magnétique et le spin d'un neutron sont reliés et même parallèles, le moment magnétique s'alignera avec les lignes de champs et les orientations des spins à la sortie de cette zone seront différentes. En mesurant à l'aide d'un autre filtre et d'un détecteur ces changements d'orientation, il est possible de remonter à la structure en 2D des lignes de champ magnétique comme on peut le voir sur la figure 1.
En répétant la même technique selon différentes orientations autour de l'objet à étudier, il est possible de reconstruire une image à trois dimensions des lignes de champ dans un matériau magnétique. C'est particulièrement intéressant dans le cas des supraconducteurssupraconducteurs à haute température critiquetempérature critique car l'on soupçonne que c'est dans la dynamique interne des lignes de champ dans ce genre de supraconducteur, ainsi que dans celle des domaines d’aimantations, que se cache la clé du phénomène de supraconductivitésupraconductivité à haute température.
Grâce à la technique des chercheurs du HMI, il est même possible d'obtenir de véritables vidéos des phénomènes magnétiques dans un solidesolide comme par exemple celle de l'effet Meissnereffet Meissner, dans lequel on considère une sphère conductrice refroidie progressivement au-dessous de la température à laquelle elle devient supraconductrice. Comme le montre cette vidéo, les lignes de champs magnétiques (en gris-noir) sont alors brusquement expulsées en dehors de la sphère.
