Grâce à la source de muons à l’Institut Paul Scherrer, les cher­cheurs du monde entier analysent les propriétés magnétiques et électroniques de nouveaux matériaux. Aucun autre endroit au monde ne produit autant de muons. Ces particules élémentaires exotiques servent de micro­sondes et donnent des informations sur les processus qui se déroulent à l’intérieur des matériaux.

Les instruments complexes destinés aux expériences de muons ont été développés par les chercheurs du PSI eux-mêmes.

«Nous disposons d’instruments uniques au monde», précise le professeur Elvezio Morenzoni, directeur du laboratoire où les propriétés microscopiques des matériaux sont analysées grâce aux muons. Les muons sont des particules élémentaires chargées électriquement. Un muon négatif équivaut à un électron, mais il est 200 fois plus lourd. Un muon positif se comporte comme un proton léger. Dans notre environnement, les muons sont générés lorsqu’un rayonnement cosmique heurte les molécules d’air dans l’atmosphère. A l’Institut Paul Scherrer (PSI), à Villigen en Argovie, ils sont créés à l’aide d’un accélérateur de particules.

Elvezio Morenzoni, professeur à l’Université de Zurich et directeur du Laboratory for Muon Spin Spectroscopy (LMU) au PSI, se tient sur une galerie dans l’immense halle d’expérimentation du PSI et explique le labyrinthe de machines, de blocs de béton, de conduites et de câbles qui se trouve derrière lui. Le cœur du dispositif est caché derrière un blindage d’un mètre d’épaisseur dans le coin opposé: l’accélérateur de protons. Ce cyclotron vieux de 40 ans reste toujours l’installation de ce genre la plus performante au monde et elle crée plus de protons que toutes les autres. Les éléments atomiques chargés positivement dans l’accélérateur circulaire atteignent jusqu’à 80% de la vitesse de la lumière. De là, les particules parviennent au centre de la halle vers la source de muons.

Le spécialiste décrit le déroulement à l’aide d’un modèle. Il se compose pour l’essentiel d’un anneau rotatif en graphite. Lorsque les protons accélérés heurtent les noyaux des atomes de graphite, cela crée de nouvelles particules appelées des pions. «Ceux-ci se décomposent en muons que l’on peut regrouper au sein d’un rayon» précise le physicien. «Comme nous disposons de plus de protons que la concurrence, nous pouvons aussi créer plus de muons et donc réaliser des expériences qui seraient impossibles ailleurs.»

Un matériau magnétique d’un genre nouveau

Ainsi, grâce aux mesures réalisées par les muons, une équipe internationale est parvenue à démontrer à l’été 2015 qu’elle avait réussi à créer un matériau magnétique à partir d’un métal non-magnétique. Les chercheurs ont déposé une couche de molécules spéciales de carbone sur de fines bandes de cuivre et ont ainsi modifié les propriétés du matériau combiné de sorte que celui-ci soit magnétisé en permanence. Les mesures effectuées au PSI démontre que la surface de contact entre le cuivre et le carbone est responsable du comportement magnétique.

«Ces expériences n’auraient pas pu être réalisées dans une autre installation dans le monde», dit Oscar Céspedes de l’Université de Leeds qui dirige le projet de recherche. «Auparavant, nous avions des problèmes pour déterminer le profil magnétique dans nos tranches fines.» C’est alors que les membres de son équipe ont attiré son attention sur la source de muons en Suisse. La méthode du PSI s’est avérée idéale pour analyser les films fins de Leeds. A partir du nouveau matériau, il sera sans doute possible de développer des aimants qui conviendront aux différentes technologies de l’avenir, par exemple à l’enregistrement de données sur des disques durs, dans des générateurs d’électricité ou dans des appareils médicaux.

Des muons lents pour des films fins

Le prof. Elvezio Morenzoni, Directeur du Laboratory for Muon Spin Spectroscopy (LMU) au PSI.

Pour analyser le film de cuivre-carbone, l’équipe a utilisé une procédure dont Elvezio Morenzoni et son équipe avaient lancé le développement il y a 20 ans. «Nous pouvons créer des muons lents d’une énergie parfaitement déterminée qui vont s’arrêter dans les différentes couches», explique le chercheur du PSI. «Cela permet d’analyser des films et des structures fines à plusieurs couches.» Mais une petite astuce reste nécessaire. Car les muons habituels qui proviennent de la décomposition des pions sont tellement rapides qu’ils pénètrent d’un demi-millimètre dans l’échantillon avant de se désintégrer. Cela permet d’étudier des cristaux, mais pas des structures en couches ayant une épaisseur d’un nanomètre. Au PSI, une partie des muons est envoyée dans un gaz rare congelé qui les arrête presque; ensuite, ils sont à nouveau accélérés juste assez pour atteindre la faible profondeur de pénétration voulue.

Arrivés à l’objectif, les muons chargés positivement se retrouvent à un endroit privilégié entre les atomes. Ils s’y comportent comme de minuscules aiguilles de boussole. Car les muons possèdent ce que l’on appelle un spin, une propriété de mécanique quantique que l’on peut se représenter comme un axe de rotation. Dans les muons fraîchement créés, ce spin pointe dans la même direction; ce qui signifie que les particules sont polarisées. Mais, en fonction de l’environnement magnétique, l’orientation du spin peut varier. La polarisation se modifie ou s’estompe avec le temps. Lorsque l’on mesure le changement de polarisation sur un intervalle de temps déterminé, on peut en tirer des conclusions sur les propriétés magnétiques du matériau. «Les muons sont donc des micro-sondes magnétiques proches des atomes», explique Elvezio Morenzoni.

L’installation qui fournit les muons lents fait partie des six instruments qui sont alimentés en particules par la source de muons. Les aimants dirigent les muons vers les postes de mesures protégés par du béton. Lors de la visite de l’un des instruments, le physicien fait arrêter le faisceau de particules et demande à chaque visiteur de retirer une clef d’un support avant d’ouvrir la porte  de l’installation – pour des raisons de sécurité. C’est seulement lorsque tout le monde a quitté le poste de mesures et que toutes les clefs ont été remises en place que la source peut être enclenchée à nouveau.

Température faible, pression élevée

Des escaliers étroits en colimaçon donnent accès à la partie supérieure du dispositif à deux étages au sein duquel se trouve le minuscule échantillon. «Nous avons développé et construit nous-même tous les instruments», relève Elvezio Morenzoni. A chaque expérience, les chercheurs mesurent près de dix millions de muons. La méthode de base reste la même, même si chacun des postes de mesures est spécialisé. «Ici, on analyse par exemple les échantillons à très basses températures» précise l’expert en faisant référence à dix millikelvins – une valeur qui se situe à seulement 10 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Sur un autre poste de mesures, on peut soumettre le matériau à une très forte pression ou à un champ magnétique élevé.

S’il existe des instruments similaires en Angleterre, au Canada et au Japon, précise le physicien, ils ne permettent pas d’atteindre des températures aussi basses ni des champs magnétiques et des pressions aussi élevés. «Même là où nous ne sommes pas les seuls à disposer de certains instruments, nous sommes meilleurs que la concurrence.» Il n’est donc pas étonnant qu’une scientifique originaire de Chine et qu’un chercheur de Corée du Sud aient effectué un long séjour au PSI en 2015. Des projets similaires sont prévus dans les deux pays. La collaboration avec des visiteurs étrangers fait partie du quotidien au PSI. De nombreuses expériences réalisées avec les muons sont effectuées en coopération internationale comme la recherche sur les aimants à partir de métaux non magnétiques à laquelle ont participé deux collaborateurs du PSI, deux doctorants de l’Université de Leeds et deux autres chercheurs.

«La collaboration a été excellente», atteste Oscar Céspedes. Les collaborateurs de PSI ont apporté leurs connaissances étendues et se sont très fortement investis – même en dehors des heures normales de travail. «Ils nous ont incroyablement aidés, d’abord pendant l’expérience, mais aussi plus tard, lors de l’analyse des données.» Outre les participations internationales, les chercheurs du PSI mènent aussi leurs propres expériences. «L’un des domaines les plus intéressants à l’heure actuelle est constitué par les semi-conducteurs magnétiques», précise Elvezio Morenzoni. Il devrait permettre de traiter plus rapidement les données et de les enregistrer de manière plus efficace.

Des échantillons du monde entier

Les semi-conducteurs magnétiques sont des films fins. Souvent, il est difficile de savoir si l’ensemble de l’échantillon est magnétique ou seulement certaines de ses parties. «C’est là que nous intervenons» confirme le scientifique du PSI. «Nous sommes en mesure d’analyser les propriétés magnétiques au niveau du nanomètre et de voir si l’échantillon est magnétique de manière homogène.» C’est la raison pour laquelle les chercheurs de Villigen analysent des matériaux du monde entier qui sont généralement complexes à créer et qui sont donc très recherchés pour des expériences.

C’est le cas des semi-conducteurs magnétiques, mais aussi des supraconducteurs non conventionnels en fer, une classe de matériaux qui n’a été découverte qu’en 2008. A partir de la recherche effectuée sur ces matériaux, les scientifiques espèrent obtenir en général une meilleure compréhension de la supraconductivité qui assure le passage du courant électrique sans pertes. «Avec les supraconducteurs à base de fer et les autres supraconducteurs non conventionnels, on découvre pratiquement chaque jour quelque chose de nouveau», relève Elvezio Morenzoni avec enthousiasme. «Lorsque nous trouvons quelque chose d’intéressant en la matière, nous nous efforçons d’obtenir le matériau pour le soumettre à une analyse. Notre bonne réputation nous y aide fortement.»