L'électromagnétisme est une branche de la physique qui traite de tous les phénomènes de l'électricité et du magnétisme. Ce domaine est le fondement clé de notre ère moderne de l'électricité et des technologies de l'information. Il est régi par un ensemble de principes fondamentaux codés dans quatre équations appelées équations de Maxwell, connus depuis environ 150 ans. Chaque fois que nous exploitons les effets fondamentaux tels que prescrits ou prédits par cette théorie, nous récoltons d'immenses bénéfices en termes d'avancées technologiques. Des choses comme les machines électriques, moteurs, divers appareils électroniques, circuits, des ordinateurs, affichage, les capteurs et la communication sans fil fonctionnent tous sur la base des principes de base de l'électromagnétisme. Ce sujet est en fait considéré comme "la physique classique, " ce qui semble suggérer que nous avons su tout ce que nous devons savoir à ce sujet.

Cependant, notre équipe de recherche IBM a récemment découvert une caractéristique cachée subtile de l'électromagnétisme, un effet de confinement de champ jusqu'alors inconnu que nous avons nommé « effet de dos de chameau » dans un système de deux lignes de dipôles transversaux.

En électromagnétisme, la source élémentaire de champ électrique et de champ magnétique peut être modélisée respectivement comme une charge ponctuelle - une charge hypothétique localisée en un seul point de l'espace - et un dipôle, une paire de pôles égaux et de charges opposées ou magnétisés séparés par une distance. Imaginez que nous alignons deux rangées de dipôles magnétiques comme le montre la figure (a), et nous essayons de mesurer la force du champ magnétique le long de l'axe central. Le champ magnétique est certainement plus fort au centre et diminue loin de celui-ci. Cependant, si la longueur de la ligne dipolaire dépasse une certaine longueur critique, un effet surprenant se produit :le champ devient légèrement plus fort près des bords et produit un profil de confinement de champ qui ressemble à un dos de chameau, d'où le nom de l'effet. L'équipe d'IBM a rapporté cette découverte avec des études expérimentales et théoriques détaillées dans deux publications et brevets récents.

Cette découverte surprenante est passionnante pour plusieurs raisons. D'abord, il représente un nouveau potentiel élémentaire de confinement unidimensionnel en physique, rejoindre la liste des potentiels bien connus comme Coulomb, parabolique, et bien carré. Seconde, cet effet devient la caractéristique clé qui permet à ce système de servir de nouvelle classe de piège magnétique naturel appelé piège à ligne dipolaire parallèle (PDL), comme le montre la figure (b) avec de nombreuses applications passionnantes possibles. Cet effet de chameau et le piège magnétique PDL associé peuvent être réalisés à l'aide d'aimants cylindriques spéciaux dont les pôles sont du côté incurvé comme indiqué sur la figure (b) et une tige de graphite comme objet piégé.

Ce piège magnétique naturel démontre également un système de "potentiel de particules en une dimension", servant ainsi de nouvelle plate-forme pour des expériences de physique pédagogique. Pour cette raison, après un processus de sélection rigoureux, la découverte d'IBM a récemment été présentée comme un problème expérimental dans l'Olympiade internationale de physique (IPhO) qui s'est récemment tenue à Yogyakarta, Indonésie en juillet. IPhO est un concours international de physique de premier plan au niveau pré-universitaire qui se déroule depuis 1967 (d'abord tenu à Varsovie, Pologne). Chaque pays participant envoie ses cinq meilleurs étudiants en physique s'affronter pour résoudre trois problèmes théoriques et deux problèmes expérimentaux. Les problèmes présentés sont généralement très difficiles et originaux et, plus important, ils doivent présenter des idées ou des concepts fondamentaux en physique.

Dans l'IPhO de cette année, environ 396 étudiants de 86 pays - l'un des plus grands IPhO jamais réalisés - ont réalisé des expériences à l'aide du piège magnétique IBM PDL pour déterminer la propriété magnétique du graphite piégé et la viscosité de l'air. Les étudiants ont également étudié ses applications en tant que capteur d'inclinomètre sismique et volcanique. Il s'agit en fait d'un projet en cours entre IBM Research et l'Institut italien de géophysique et de volcanologie (INGV). L'exposition globale a été appréciée par les chefs d'équipe internationaux pour son roman, contenu physique fascinant et riche ainsi que ses nobles applications.

Cette recherche sur les pièges magnétiques d'IBM a maintenant été incluse en tant que nouveau matériel de notes de cours dans le cours d'électrodynamique de l'Université de Princeton. Il a également produit une technologie pratique en tant que nouvel outil de caractérisation des semi-conducteurs à haute sensibilité appelé "système rotatif PDL Hall" qui a servi de nombreux groupes de recherche IBM qui travaillent avec des semi-conducteurs. Il a également fonctionné au laboratoire du Harvard Center of Nanoscale System.

Sur une note latérale, l'impact international de ce travail pour la pédagogie de la physique est assez inattendu, car la recherche était à l'origine destinée au développement de la technologie des semi-conducteurs. L'équipe d'IBM explorait des moyens de piéger de minuscules objets cylindriques tels que des nanofils pour les transistors de nouvelle génération. Néanmoins, l'adoption de nos travaux de recherche dans un événement international de premier plan, comme IPhO, illustre notre mission dans IBM Research "d'être célèbre pour notre science et vital pour le monde".