Le magnétisme guide les atomes individuels
Potentiel de mouvements atomiques contrôlés dans les nanotechnologies et le stockage de données
Normalement, les atomes individuels se déplacent de manière plutôt aléatoire sur les surfaces - influencés principalement par la symétrie de la surface. Ce processus, connu sous le nom de "diffusion", joue un rôle central dans la fabrication de semi-conducteurs, dans les catalyseurs ou dans la construction de nanostructures. Depuis longtemps déjà, les chercheurs supposent que le magnétisme pourrait également influencer le mouvement des atomes individuels. Des scientifiques de l'Université Christian-Albrecht de Kiel (CAU) et de l'Université de Hambourg ont pu démontrer pour la première fois de manière expérimentale que le magnétisme est un élément important de la vie : Sur une surface magnétique, les atomes peuvent être dirigés de manière ciblée le long d'une direction. Les résultats ont été publiés dans "Nature Communications".
Un mouvement ciblé plutôt que le hasard
L'équipe a réussi à faire cette démonstration à l'aide d'un microscope à balayage à effet tunnel. À des températures proches du zéro absolu (quatre kelvins), ils ont placé des atomes individuels tels que le cobalt, le rhodium et l'iridium sur une couche de manganèse d'une épaisseur d'une couche atomique exactement, qui avait été préalablement déposée par évaporation sur une surface de rhénium. Cette structure permet d'obtenir une surface particulièrement bien définie et ordonnée magnétiquement, dont les propriétés magnétiques des différentes rangées d'atomes sont connues avec précision.
Il s'est avéré que, bien que cette couche possède une structure hexagonale symétrique, les atomes qui s'y trouvent ne se déplacent pas au hasard dans l'une des six directions possibles après une brève impulsion de courant, mais toujours le long de rangées magnétiques - même lorsque les atomes eux-mêmes ne sont pas magnétiques, comme dans le cas du rhodium ou de l'iridium.
La mécanique quantique fournit l'explication
"De tels mouvements étaient jusqu'à présent prédits théoriquement, mais jamais démontrés expérimentalement", explique le professeur Stefan Heinze de l'Institut de physique théorique et d'astrophysique de la CAU. Avec son collègue, le Dr Soumyajyoti Haldar, il a effectué des calculs de mécanique quantique sur les superordinateurs du Verbund für Nationales Hochleistungsrechnen (NHR) à Berlin afin d'expliquer le phénomène.
Ses simulations montrent que : Pour les atomes, il est énergétiquement plus facile de se déplacer le long des rangées magnétiques que perpendiculairement à celles-ci. Cela s'explique par une interaction magnétique entre l'atome et les atomes de la surface : on peut se représenter les deux comme de minuscules aimants en forme de barre. Dans le cas des atomes d'éléments magnétiques comme le cobalt, cette interaction est due à leur propre moment magnétique. Dans le cas des atomes d'éléments non magnétiques comme le rhodium ou l'iridium, un petit moment magnétique n'est provoqué que par l'interaction avec la surface et influence la direction du mouvement. Ainsi, les atomes se déplacent de préférence le long des séries magnétiques de la surface. Jusqu'à présent, les chercheurs pensaient que le magnétisme ne jouait aucun rôle dans le mouvement des atomes individuels - cette hypothèse est désormais contredite par les nouveaux résultats.
"Les propriétés magnétiques d'une surface peuvent influencer la mobilité des atomes individuels", explique Soumyajyoti Haldar. "Cela ouvre de nouvelles possibilités de contrôler de manière ciblée les mouvements atomiques - par exemple pour des applications dans la nanotechnologie, le stockage de données ou le développement de nouveaux matériaux".
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