06.04.2022 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Un regard sur l'avenir magnétique

Des chercheurs du PSI et de l'ETH Zurich ont observé pour la première fois comment de minuscules aimants disposés de manière particulière s'alignent uniquement en fonction des changements de température.

Cette vision des processus qui se déroulent au sein de la glace de spin artificielle pourrait jouer un rôle important dans le développement de nouveaux ordinateurs à haute performance.

Lorsque l'eau gèle pour former de la glace, les molécules d'eau, avec leurs atomes d'hydrogène et d'oxygène, s'organisent en une structure complexe. L'eau et la glace sont des phases différentes, et la transformation de l'eau en glace est appelée transition de phase. En laboratoire, on peut produire des cristaux dans lesquels les moments magnétiques élémentaires, appelés spins, forment des structures comparables à la glace. C'est pourquoi les chercheurs appellent également ces structures "glace de spin".

"Nous avons produit de la glace de spin artificielle, qui consiste essentiellement en des nano-aimants si petits que leur orientation ne peut changer que sous l'effet de la température", explique le physicien Kevin Hofhuis, qui vient de terminer sa thèse de doctorat au PSI.

Dans le matériau utilisé par les chercheurs, les nano-aimants sont disposés en structures hexagonales - un motif connu de l'art japonais de la vannerie sous le nom de kagome.

"Les transitions de phase magnétiques avaient été prédites théoriquement pour la glace de spin artificielle kagome, mais elles n'avaient jamais été observées auparavant", explique Laura Heyderman, directrice du Laboratoire d'expériences multiéchelles sur les matériaux au PSI et professeur au laboratoire des systèmes mésoscopiques de l'ETH Zurich.

"La détection des transitions de phase n'a été rendue possible que grâce à l'utilisation d'une lithographie de pointe pour produire le matériau dans la salle blanche du PSI, ainsi qu'à une méthode de microscopie spéciale au Swiss Light Source SLS." La revue Nature Physics publie aujourd'hui les résultats de ces expériences.

L'astuce : de minuscules ponts magnétiques

Pour leurs échantillons, les chercheurs ont utilisé un composé nickel-fer appelé permalloy, qui a été déposé sous forme de film mince sur un substrat de silicium. Ils ont utilisé un procédé de lithographie pour former à plusieurs reprises un petit motif hexagonal de nano-aimants, chaque nano-aimant mesurant environ un demi-micromètre (millionième de mètre) de long et un sixième de micromètre de large.

Mais ce n'est pas tout. "L'astuce consistait à relier les nano-aimants par de minuscules ponts magnétiques", explique Hofhuis. "Cela a entraîné de petits changements dans le système qui nous ont permis de régler la transition de phase de manière à pouvoir l'observer. Cependant, ces ponts devaient être vraiment petits, car nous ne voulions pas trop modifier le système."

Le physicien n'en revient toujours pas d'avoir réussi cette entreprise. En créant les nanoponts, il s'est heurté aux limites de la résolution spatiale techniquement possible des méthodes de lithographie actuelles. Certains des ponts ne font que dix nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre.

Microscopie et théorie

Sur la ligne de faisceau SIM de SLS, l'équipe a utilisé une méthode spéciale appelée microscopie électronique à photoémission qui a permis d'observer l'état magnétique de chaque nano-aimant du réseau.

"Nous avons pu enregistrer une vidéo qui montre comment les nano-aimants interagissent entre eux lorsque nous modifions la température", résume Hofhuis. Les images originales contiennent simplement un contraste noir et blanc qui changeait de temps en temps. Les chercheurs ont pu en déduire la configuration des spins, c'est-à-dire l'alignement des moments magnétiques.

"Si vous regardez une vidéo comme celle-ci, vous ne savez pas dans quelle phase vous vous trouvez", explique Hofhuis. Cette situation a nécessité une réflexion théorique, à laquelle a contribué Peter Derlet, physicien du PSI et professeur adjoint à l'ETH Zurich. Ses simulations ont montré ce qui devrait théoriquement se passer lors des transitions de phase. Seule la comparaison des images enregistrées avec ces simulations a permis de prouver que les processus observés au microscope sont bien des transitions de phase.

Manipuler les transitions de phase

Cette nouvelle étude est une nouvelle réussite dans l'étude de la glace de spin artificielle que le groupe de Laura Heyderman poursuit depuis plus de dix ans. "Ce qui est formidable avec ces matériaux, c'est que nous pouvons les personnaliser et voir directement ce qui se passe en leur sein", explique la physicienne.

"Nous pouvons observer toutes sortes de comportements fascinants, notamment les transitions de phase et l'ordonnancement qui dépendent de la disposition des nano-aimants. Cela n'est pas possible avec les systèmes de spin dans les cristaux conventionnels." Bien que ces travaux relèvent encore de la recherche fondamentale pure pour l'instant, les chercheurs pensent déjà aux applications possibles.

Le contrôle de différentes phases magnétiques pourrait être intéressant pour de nouveaux types de traitement de données. Les chercheurs du PSI et d'ailleurs étudient comment la complexité de la glace de spin artificielle pourrait être utilisée pour de nouveaux ordinateurs à grande vitesse et à faible consommation d'énergie. "Le processus est basé sur le traitement de l'information dans le cerveau et tire parti de la façon dont la glace de spin artificielle réagit à un stimulus tel qu'un champ magnétique ou un courant électrique", explique M. Heyderman.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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