Le spin des électrons et le magnétisme

Des choses en physique on parfois des noms bizarres. L’une de ces choses bizarrement nommée, c’est le spin d’une particule.

Sauf si j’ai compris de travers, la magnétisme d’un aimant, est dut à l’alignement du spin des électrons de la matière qui le compose. Comme une charge électrique en mouvement relatif, laisse percevoir un champ magnétique, je me demandais s’il y a un lien entre le nom qu’est « spin » et le magnétisme.

Est‑ce qu’on appel le spin ainsi parce qu’on peut l’imaginer comme le mouvement d’une particule chargée ? Et que ça fait une bonne image pour expliquer le magnétisme qui n’est pas produit par le mouvement relatif d’une particule chargée, vu que dans un aimant, il n’y a pas de courant qui circule, mais qu’il faut un mouvement relatif d’une charge électrique pour avoir un champ magnétique.

C’est le magnétisme qui explique que le spin s’appel comme ça ?

Mais physiquement, ça correspond à quoi le spin d’un électron ? C’est vraiment comme s’il tournait sur lui‑même ?

Il y a des maths de fou, mais en lisant ce qui est écrit en langage humain, on peut croire que c’est bien ça, qu’il y a un modèle physique des particules dans lequel les particules tournent sur elles‑mêmes : Le spin, la relativité et la mécanique quantique (bernardschaeffer.canalblog.com).

L’avis de quelqu’un(e) qui a étudié la physique reste le bienvenu quand‑même .

Dans cette vidéo d’une conférence universitaire sur le magnétisme des matériaux, Michel Piecuch parle beaucoup de spin des particules. Je crois qu’il parle plus loin (je n’ai pas encore tout vu) de la relativité comme explication de la relation entre champ électrique et champ magnétique. Cette relation est très intéressante, parce qu’elle est une expression aisément visible, tout à fait banale, de la relativité restreinte dans le monde du quotidien (note : non, finalement il n’en parle pas, mais j’essaierai d’y revenir).

Il explique que les matériaux ferromagnétiques, sont constitués d’atomes d’un volume relativement important, et que c’est ce volume qui leur permet d’avoir sur leurs couches électroniques externes — qui ont plus de surface — plusieurs électrons de spin identique, les électrons de spin identique s’excluant mutuellement à partir d’un certaine proximité autrement.

Il y a donc une relation « mécanique » entre la caractère ferromagnétique d’un matériaux et le volume des atomes qui le constitue. Il existe une relation dans les deux sens entre ces caractéristiques, et on peut appliquer une contrainte sur l’une ou l’autre de ces deux caractéristiques.

Si on refroidit un matériaux, le volume de ses atomes se réduit, et il perd alors de son caractère ferromagnétique.

Si on réchauffe un matériaux, le caractère ferromagnétique de ses atomes se réduit, et il perd une cause de son volume. Ce phénomène, s’il est suffisant, peu compenser la dilatation du matériaux à la chaleur.

Il existe ainsi un alliage, l’invar (*), qui ne se dilate que peu quand il est chauffé, en vertu de ce phénomène.

Très intéressant ça .


(*) Précisément, l’invar est l’alliage de 64% de fer et de 36% de nickel.

Ensuite il parle d’une dénomination, qu’il qualifie d’historique : les métaux durs, pour parler des métaux qui peuvent faire de bons aimants permanents. Mais il ne dit pas s’il y a une relation entre cette capacité à l’aimantation permanente et la dureté.

Il rapporte qu’un matériaux (ou plutôt un objet, vu la nature) constitué d’un alternance de couches de fer et de couches de chrome, de quelque nanomètre d’épaisseur (les couches), a une conductivité électrique qui varie avec le champs magnétique auquel il est soumis (le matériaux). Une résistance commandée par un champs magnétique… ; c’est la magnétorésistance, découverte en 1988, et utilisée par exemple dans les têtes de lecture des disques durs et dans les freins ABS.

Pas sûr d’avoir tout compris, mais en gros : dans l’état normal, le matériaux présente des électrons de spins alternant — tantôt dans un sens tantôt dans l’autre — avec les couches, ce qui rend plus difficile la circulation des électrons libres. Sous un champs magnétique, les spin des électrons du matériaux de certaines couches, se retournent, les électrons libres rencontrent moins de difficulté à circuler.

Plus le champs magnétique environnant est fort, plus la résistance est faible.

En 1998, a été mis en œuvre une technique alternative pour la magnétorésistance, en utilisant un effet découvert en 1977, mais oublié pendant plusieurs années, avant d’être redécouvert : la magnétorésistance à l’aide de l’effet tunnel. Deux couches de matériaux (deux, seulement) dont les électrons sont de spins opposés (dans un sens pour une couche et dans le sens opposé pour l’autre couche), sont séparés par un isolant de quelques atomes d’épaisseur. Normalement des électrons devraient pouvoir passer d’une couche à l’autre à travers l’isolant, par effet tunnel (*), mais ils ne le peuvent pas ou que difficilement, temps que les spins dans chacune des deux couches sont opposé. Quand un champ magnétique retournent le spin dans un des deux couches, les électrons peuvent passer par effet tunnel.

Cette technique alternative à permis la création de têtes de lecture de disques durs, encore plus efficace qu’auparavant (sachant tout de même, que la conférence date de 2000).

(*) L’effet tunnel est le résultat de la nature ondulatoire et probabiliste de l’électron. Sa probabilité de présence dans l’espace fait qu’il peut passer à travers un isolant assez fin, en temps qu’onde.

Une résistance commandée par un champ magnétique, ça peut faire penser à la résistance commandée en tension, qu’est le transistor. Il rapporte qu’il existe effectivement des transistors magnétiques, rendus possibles par la seconde technique de magnétorésistance, celle reposant sur un isolant et l’effet tunnel. Il parle de mémoires constituées de ce type de transistor, ré‑inscriptibles tout en étant persistantes (sur de longues durées, mais pas pour toujours). Et la conférence date de 2000, et je ne sais pas si ce type de transistor est actuellement mis en œuvre dans des objets de production courante (les dernières EPROM ? Les « disques » SSD ? je l’ignore… je ne sais pas de quoi ces deux là sont faits).

Une autre conférence sur une variante de l’électronique, qui au lieu d’utiliser la charge électrique, utilise leur spin (et peut‑être parfois les deux en même temps ?), ce qui s’appel la spintronique. C’est de Albert Fert, prix Nobel de physique en 2007, et la conférence est de 2009.

Dans la minute 00:27:00, il dit qu’on peut filtrer les électrons selon leur spin. C’est une conductivité sélective, une résistance qui est fonction du spin des électrons.

De 00:33:00 à 00:34:00, il rapporte que la spintronique est mise en œuvre dans les mini disques‑durs, ceux qui ont une taille ne dépassant pas celle d’une pièce de monnaie, et pouvant avoir des capacités de 4 Go à 100 Go (à la date de la conférence, qui est de 2009), et que l’on trouve par exemple dans les baladeurs numérique (ex. l’iPod d’Apple).

Dans les minutes 00:34:00 et 00:35:00, il rapporte une utilisation de la spintronique dans les détecteurs de champs magnétiques pour l’automobile (dans le reportage précédent, il était dit que ce sont précisément des détecteurs de vitesse de rotations), et que cette mise en œuvre se trouve dans les robots Spirit et Opportunity (*).


(*) Pour les gens intéressées, il y a un sujet sur un successeur de ces deux robots : Le robot Martien, Curiosity, en général.