Le magnétisme à l'échelle des particules
Un aimant attire le fer sans qu'il y ait contact ni mouvement visible — et pourtant ce phénomène ne commence pas avec des charges en rotation, mais avec une propriété qui, en physique classique, n'existe tout simplement pas : le spin.
Ce qu'est vraiment le spin
Les électrons, protons, neutrons et quarks possèdent tous un spin — un moment angulaire intrinsèque quantifié. Le nom est trompeur : un électron est (à notre connaissance) ponctuel et ne « tourne » pas au sens classique, puisqu'il n'a tout simplement aucune étendue susceptible de tourner. Le spin est plutôt une propriété aussi solidement attachée à une particule que sa masse ou sa charge — pour l'électron, toujours exactement ±½ (en unités de ħ), quelle que soit la façon dont on le mesure.
Cela a été découvert en 1922 par l'expérience de Stern-Gerlach : un faisceau d'atomes d'argent a été envoyé à travers un champ magnétique inhomogène. On aurait classiquement attendu une tache continue, l'orientation des atomes étant censée être aléatoire. On a observé au contraire exactement deux taches nettement séparées — la première preuve directe que le spin (et donc le comportement magnétique de la matière) est quantifié et ne peut prendre que deux orientations par rapport à un champ.
Comment le spin engendre un champ magnétique
Comme un électron est électriquement chargé, son spin — son moment angulaire intrinsèque — engendre automatiquement un moment dipolaire magnétique, sans qu'il y ait le moindre mouvement réel. L'intensité de ce moment dépend du facteur g, qui pour l'électron ne vaut pas exactement 2 mais 2,00232 — cet infime écart est une prédiction de l'électrodynamique quantique et l'une des valeurs les plus précisément confirmées de toute la physique.
Outre le spin, le mouvement des électrons autour du noyau contribue lui aussi à un moment magnétique (magnétisme orbital) — mais pour la plupart des atomes, c'est la contribution du spin qui domine. Le fait qu'un atome présente ou non un moment magnétique net vers l'extérieur dépend de la façon dont s'additionnent les moments des différents électrons.
Expérience de Stern-Gerlach (schématique) : dans le champ inhomogène, les atomes dont le spin est « vers le haut » ou « vers le bas » subissent des forces opposées et atterrissent en deux endroits nettement séparés sur l'écran — et non répartis sur toute une surface, comme le produirait une grandeur classique continue.
Pourquoi certaines substances réagissent au magnétisme, et d'autres non
Le principe de Pauli détermine si un atome possède un moment magnétique net : deux électrons d'une même orbitale doivent avoir des spins opposés, si bien que leurs moments s'annulent exactement. Les atomes dont les couches sont entièrement remplies — tous les spins appariés — ne présentent aucun moment magnétique vers l'extérieur. Les atomes possédant des électrons non appariés, en revanche, possèdent un véritable moment magnétique, bien que généralement faible.
C'est sur cette distinction simple que reposent les trois grands types de magnétisme :
Pourquoi le fer, précisément, est ferromagnétique
Un atome de fer possède quatre électrons 3d non appariés — selon la règle de Hund, les électrons occupent d'abord un maximum d'orbitales séparément avant de s'apparier. Cela seul n'expliquerait que du paramagnétisme, que présentent aussi d'autres métaux. Ce qui est réellement particulier, c'est l'interaction d'échange quantique entre atomes de fer voisins : à la distance interatomique et avec la configuration électronique 3d propres au fer, elle favorise énergétiquement l'orientation parallèle plutôt qu'antiparallèle des spins voisins. En dessous de la température de Curie (770 °C), les atomes voisins s'alignent donc spontanément — sans aucun champ extérieur.
Un morceau de fer non aimanté n'est pourtant généralement pas magnétique vu de l'extérieur, car il se divise en une multitude de petits domaines de Weiss : à l'intérieur de chaque domaine, tous les moments sont parfaitement alignés parallèlement, mais l'orientation change aléatoirement d'un domaine à l'autre, si bien que les contributions s'annulent en moyenne. Un champ extérieur fait croître les domaines favorablement orientés aux dépens des autres (les parois de domaines se déplacent) — le matériau s'aimante, et une partie de cette orientation peut subsister sous forme de rémanence même après la coupure du champ : un aimant permanent.
Sans champ extérieur, les domaines de Weiss orientés aléatoirement s'annulent en moyenne. Un champ appliqué fait croître les domaines favorablement orientés, jusqu'à ce que le matériau soit aimanté à l'échelle macroscopique.
À quoi sert le magnétisme des particules en pratique
De l'hôpital au disque dur — l'exploitation ciblée du spin et du moment magnétique des particules individuelles se cache dans de nombreuses technologies qui, à première vue, n'ont rien à voir avec la physique des particules.
Tout magnétisme ne provient pas du spin. Les électrons en mouvement autour du noyau engendrent en outre un magnétisme orbital, et un simple courant dans une bobine de fil produit un champ magnétique sans aucune participation du spin — uniquement par le déplacement de charges (électro-aimant). Le magnétisme de spin et le magnétisme orbital expliquent pourquoi les atomes et matériaux individuels portent d'eux-mêmes un moment magnétique ; l'électromagnétisme classique explique pourquoi une bobine parcourue par un courant peut faire de même, sans le moindre spin de particule.