08.07.2022 - Technische Universität Wien

Un moteur à quatre temps pour les atomes

Retour au point de départ en quatre étapes : Un nouveau phénomène ouvre des possibilités intéressantes

En allumant et en éteignant quelque chose, on le ramène généralement à son état initial. Cependant, un nouveau matériau magnétique doit être commuté quatre fois, tandis que le spin des atomes se déplace une fois par cercle.

Si vous changez un bit dans la mémoire d'un ordinateur et que vous le changez à nouveau, vous avez rétabli l'état initial. Il n'existe que deux états que l'on peut appeler "0 et 1".

Cependant, un effet étonnant a été découvert à la TU Wien (Vienne) : Dans un cristal à base d'oxydes de gadolinium et de manganèse, on a trouvé un interrupteur atomique qui doit être activé et désactivé non pas une, mais deux fois, jusqu'à ce que l'état initial soit à nouveau atteint. Pendant ce double processus d'activation et de désactivation, le spin des atomes de gadolinium effectue une rotation complète. Ce phénomène rappelle celui d'un vilebrequin, dans lequel un mouvement de haut en bas est converti en un mouvement circulaire.

Ce nouveau phénomène ouvre des possibilités intéressantes en physique des matériaux, des informations pouvant même être stockées grâce à de tels systèmes. L'étrange interrupteur atomique a été présenté dans la revue scientifique "Nature".

Couplage des propriétés électriques et magnétiques

Normalement, on fait une distinction entre les propriétés électriques et magnétiques des matériaux. Les propriétés électriques sont basées sur le fait que les porteurs de charge se déplacent - par exemple les électrons qui traversent un métal ou les ions dont la position est déplacée.

Les propriétés magnétiques, quant à elles, sont étroitement liées au spin des atomes - le moment angulaire intrinsèque de la particule, qui peut pointer dans une direction très spécifique, tout comme l'axe de rotation de la Terre.

Cependant, il existe également des matériaux dans lesquels les phénomènes électriques et magnétiques sont très étroitement couplés. Le professeur Andrei Pimenov et son équipe de l'Institut de physique des solides de la TU Wien étudient de tels matériaux. "Nous avons exposé un matériau spécial composé de gadolinium, de manganèse et d'oxygène à un champ magnétique et mesuré l'évolution de sa polarisation électrique", explique Andrei Pimenov. "Nous voulions analyser comment les propriétés électriques du matériau peuvent être modifiées par le magnétisme. Et étonnamment, nous sommes tombés sur un comportement totalement imprévu."

Retour au point de départ en quatre étapes

Au départ, le matériau est polarisé électriquement - d'un côté, il est chargé positivement, de l'autre côté, il est chargé négativement. Ensuite, vous allumez un champ magnétique puissant - et la polarisation change très peu. Cependant, si vous coupez à nouveau le champ magnétique, un changement spectaculaire se produit : la polarisation s'inverse soudainement : Le côté qui était chargé positivement auparavant est maintenant chargé négativement, et vice versa.

Vous pouvez maintenant répéter le même processus une deuxième fois : Vous allumez à nouveau le champ magnétique et la polarisation électrique reste à peu près constante. Si vous coupez le champ magnétique, la polarisation s'inverse à nouveau et revient ainsi à son état initial.

"C'est extrêmement remarquable", déclare Andrei Pimenov. "Nous effectuons quatre étapes différentes, à chaque fois le matériau modifie ses propriétés internes, mais la polarisation ne change que deux fois, de sorte que l'on ne retrouve l'état initial qu'après la quatrième étape."

Un moteur à quatre temps pour le gadolinium

Un examen plus approfondi montre que les atomes de gadolinium sont responsables de ce comportement : Ils changent la direction de leur spin à chacune des quatre étapes, à chaque fois de 90 degrés. "Dans un sens, c'est un moteur à quatre temps pour les atomes", explique Andrei Pimenov. "Dans un moteur à quatre temps, il faut également quatre étapes pour revenir à l'état initial, et le cylindre monte et descend deux fois au cours de ce processus. Dans notre cas, le champ magnétique monte et descend deux fois avant que l'état initial soit rétabli et que le spin des atomes de gadolinium pointe à nouveau dans la direction initiale."

En théorie, de tels matériaux pourraient être utilisés pour stocker des informations : un système à quatre états possibles aurait une capacité de stockage de deux bits par commutateur, au lieu de l'habituel un bit d'information pour "0" ou "1". Mais l'effet est aussi particulièrement intéressant pour la technologie des capteurs : par exemple, on pourrait produire de cette manière un compteur d'impulsions magnétiques. L'effet fournit de nouvelles données importantes pour la recherche théorique : il s'agit d'un autre exemple de ce que l'on appelle un "effet topologique", une catégorie d'effets matériels qui attire beaucoup d'attention en physique des solides depuis des années et qui devrait permettre le développement de nouveaux matériaux.

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.

Faits, contextes, dossiers
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