J’ai lu dans la revue « Pour la Science » d’avril 2024 un article sur de minuscules « aimants », les « skyrmions », constitués par quelques centaines d’atomes au sein de matériaux spécifiques, que l’on peut déplacer au sein de ces matériaux, comme s’ils étaient des bulles magnétiques.
           Ces petites « bulles magnétiques » font l’objet de recherches car, si on arrive à maîtriser leur déplacements au sein de petits éléments conducteurs, (un peu comme les transistors), ces éléments permettraient de réaliser des ordinateurs qui dépenseraient beaucoup moins d’énergie électrique, ce qui est très important sur le plan dépenses énergétiques et climat, compte tenu des consommations énormes dues à internet et à l’intelligence artificielle.
           L’article est difficile à lire, car il suppose connues des notions de mécanique quantique. J’espère l’avoir compris et je vais essayer de le résumer le plus simplement possible. Mais je ne le ferai que dans ma publication de demain car l’explication du skyrmion est basée sur la notion de
« spin » qui vous est sans doute peu familière.
          Aujourd’hui je vais essayer de vous expliquer le plus simplement possible ce qu’est le spin des particules et celui d’un atome. J’espère que ce ne sera pas trop abstrait.

          Parlons d’abord de la mécanique que nous connaissons, celle qui s’applique quand nous bougeons, que nous faisons du patin à glace, ou que nous faisons tourner une toupie sur une table, ou bien qui s‘applique à un moteur électrique. Quand un mobile se déplace, il a une trajectoire faite de positions successives, et une certaine vitesse v. De plus il peut avoir une rotation sur lui même (comme une toupie) et une vitesse de rotation. Enfin il a une certaine masse m et dépense une certaine quantité d’énergie pour ses mouvements.
          Deux grandeurs importantes interviennent lorsqu’on veut calculer des interactions du mobile avec son environnement ou dans la rencontre avec un autre mobile :
                   - La quantité de mouvement qui est une valeur du produit  m x v, pour son mouvement de déplacement.
                  - Le moment cinétique, pour sa rotation sur lui même, qui est une grandeur vectorielle, dont la direction est celle de l'axe de rotation et dont la valeur est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation. (Voir figure ci contre).
           Lorsqu’il y a interaction, dans notre mécanique habituelle, il y a conservation des masses, des quantités de mouvement, des moments cinétiques et de l’énergie.
         De plus vous savez qu’un courant électrique engendre autour de lui un champ magnétique : c’est ce qui permet de faire des bobines magnétiques utilisées dans les moteurs électriques, mais aussi qu’un champ magnétique, créé par un aimant, ,dévie un courant électrique. On peut alors caractériser la force exercée par un vecteur que l’on appelle moment magnétique.

            La mécanique quantique, qui traite des interactions entre particules infiniment petites n’est plus aussi simple que notre mécanique classique de tous les jours.
           Pour vous montrer le type de problème un seul exemple : je veux mesurer la trajectoire d’un électron et sa vitesse. (voir figure ci-contre),  qui va de 1 en 2. Si c’était un ballon de foot, je le vise avec un éclair très bref de lumière, en 1 puis en 2. Je connais les positions 1 et 2 et la distance d les séparant et donc si je connais le temps entre deux éclairs t, ma vitesse moyenne est  d/t. Pas de problème, les photons de mes éclairs n’ont pas eu d’action sur le mouvement du ballon.
          Mais l’électron est une particule comme le photon, et au premier éclair le photon va choquer l’électron et dévier sa course et modifier sa vitesse. Je n’aurai donc rien en 2 et si j’arrive à refaire une mesure en 3, elle ne me renseignera pas sur la trajectoire et la vitesse initiale de mon électron. (On ne peut mesurer à la fois sa vitesse et sa position : c’est ce que l’on appelle le principe d’incertitude).
          En mécanique quantique, on ne peut pas souvent déterminer la trajectoire et le comportement des particules prises une par une, mais on sait calculer le comportement statistique d’un grand nombre de particules agissant dans un phénomène, en leur associant mathématiquement une onde, qui décrit cette statistique. (rappelez vous, pour ceux qui l’ont étudié en terminale, les interférences de Fresnel).

            La mécanique quantique essaie de conserver les grandeurs de la mécanique classique : énergie, masse, vitesse, quantité de mouvement, moment cinétique et moment magnétique; mais ces valeurs obéissent à des lois mathématiques différentes et beaucoup plus compliquées.
             Pour une particule le moment cinétique et le moment magnétique sont confondus et ont reçu le nom de « spin ». A l’origine on pensait que l’électon tournait très vite sur lui même et que cela créait le moment cinétique, comme pour une toupie. Mais les calculs ont montré que da vitesse de rotation aurait dépassé celle de la lumière, ce qui n’est pas possible.
           On pourrait dire que le spin signifie que chaque électron peut être considéré comme un minuscule aimant ce qui est étonnant puisque dans notre monde habituel, une seule charge électrique ne peut pas être considérée comme un aimant.
           Finalement on ne sait pas bien ce qu’est réellement le spin d’un point de vue phénomène physique analogue à ce que nous connaissons en mécanique classique. Mais cette notion introduite dans les équations complexes de la mécanique quantique a permis d’élucider de nombreux phénomènes : structure des cortèges électroniques des atomes (reflétée dans le tableau de Mendeleïev), l'impénétrabilité de la matière solide, la conductivité électrique des métaux, la lumière laser, l’IRM etc..

          Le spin ne peut prendre que des valeurs numériques discontinues « quantifiées ». Concrètement, les valeurs du spin ne peuvent être que des multiples entiers ou demi-entiers de h, la constante de Planck : h/(2p). p étant un nombre entier.
          La valeur du spin de l'électron est ainsi h/2 ; on dit en général que son spin vaut 1/2, en sous-entendant l'unité h. Les protons et les neutrons ont aussi un spin 1/2, (on appelle fermions les particules de spin non entier); le photon un spin 1. (Les particules de spin entier sont appelées bosons). C'est aussi le ça de particules responsable des liaisons à énergie faible, et du gravillon, particule hypothétique responsable de la gravitation. (Là aussi on ne sait pas ce que c'est, mais cela permet de faire des calculs qui respectent les lois de la relativité et de la mécanique quantique)
          De plus le spin peut avoir une autre caractéristique en présence d’un champ magnétique, qui est son orientation (comme si la particule pouvait tourner sur elle même dans un sens ou dans l’autre). On les désigne sur un dessin par une flèche orientée vers le haut ou vers le bas.

           Les noyaux des atomes, puis les atomes entiers sont constituées de particules qui ont des spins. Selon leurs arrangements, il est possible de calculer pour un atome, un spin résultant du groupe de particules qui le constituent.
           Pour expliquer la nature des skyrmions, j’avais besoin de cette notion de apin d’un atome, et je vous expliquerai demain ce que sont ces aimants microscopiques.