Les physiciens détectent des signes d'une forme insaisissable de magnétisme qui devraient exister il y a 50 ans

Les physiciens détectent des signes d'une forme insaisissable de magnétisme qui devraient exister il y a 50 ans

 

En 1966, le physicien japonais Yosuke Nagaoka a eu l’idée d’un nouveau mécanisme inhabituel qui pourrait provoquer le ferromagnétisme – le phénomeon qui alimente les aimants tels que nous les connaissons.

 

Son idée avait un sens théorique, mais elle n’a jamais été observée dans les matériaux naturels. Maintenant, nous en avons les premiers signes au laboratoire.

Encore une fois, nous sommes redevables à la physique quantique pour la découverte. Les scientifiques ont pu générer ce qu’ils appellent des «signatures expérimentales» du ferromagnétisme de Nagaoka (comme il est venu à être nommé) dans un système électrique quantique étroitement contrôlé et sur mesure.

Bien qu’il soit trop tôt pour utiliser pratiquement cette nouvelle configuration de magnétisme, ce qui rend la découverte passionnante est l’indication que la prédiction de 54 ans de Nagaoka est juste; et cela pourrait avoir un impact majeur sur la façon dont les systèmes quantiques du futur se développeront.

“Les résultats étaient clairs: nous avons démontré le ferromagnétisme de Nagaoka”, dit le physicien quantique Lieven Vandersypen , de l’Université de Technologie de Delft aux Pays-Bas.

“Lorsque nous avons commencé à travailler sur ce projet, je ne savais pas si l’expérience serait possible, car la physique est si différente de toute autre chose que nous ayons jamais étudiée dans notre laboratoire.”

La façon la plus simple de penser au ferromagnétisme Nagaoka est comme un jeu de puzzle pour enfant, celui avec des blocs coulissants que vous devez mettre dans une image ou un motif. Dans cette analogie, chaque bloc est un électron avec son propre spin ou alignement.

Lorsque les électrons s’alignent dans une direction, un champ magnétique est créé. Nagaoka a décrit une sorte de version idéale du ferromagnétisme itinérant, où les électrons sont libres de se déplacer mais où le matériau reste magnétique.

Dans la version Nagaoka du jeu de puzzle, tous les électrons sont alignés dans la même direction – ce qui signifie cependant que les blocs du puzzle sont mélangés, le magnétisme du système dans son ensemble reste constant.

Parce que le brassage des électrons (ou des tuiles de casse-tête) autour ne fait aucune différence dans la configuration générale, le système nécessite moins d’énergie.

ferro 2 Ferromagnétisme Nagaoka sous forme de puzzle, avec tous les spins alignés à droite. (Scixel de Groot pour QuTech)

Pour montrer le ferromagnétisme de Nagaoka en action, les scientifiques ont en fait construit un réseau 2D, deux par deux composé de points quantiques , de minuscules particules semi-conductrices qui pourraient former la prochaine génération d’ordinateurs quantiques .

L’ensemble du système a été refroidi à près de zéro absolu (-272,99 ° C ou -459,382 ° F), puis trois électrons ont été piégés à l’intérieur (laissant un «bloc de puzzle» vide). L’étape suivante consistait à démontrer que le réseau se comportait comme un aimant comme Nagaoka le suggérait.

“Nous avons utilisé un capteur électrique très sensible qui pourrait déchiffrer l’orientation de rotation des électrons et la convertir en un signal électrique que nous pourrions mesurer en laboratoire”, dit quantum physicien Uditendu Mukhopadhyay , de l’Université de technologie de Delft.

Le capteur a montré que le système de points quantiques super petit et super délicat alignait effectivement les spins d’électrons comme prévu, préférant naturellement l’état d’énergie le plus bas.

Ayant décrit précédemment comme l’un des problèmes les plus difficiles de la physique, c’est un pas en avant important dans notre compréhension du magnétisme et de la mécanique quantique, montrant qu’une idée de longue date sur la façon dont le ferromagnétisme fonctionne à l’échelle nanométrique est en fait correct.

Plus loin, la découverte devrait aider au développement de nos propres ordinateurs quantiques , des appareils capables d’effectuer des calculs dépassant le cadre de notre technologie actuelle.

“De tels systèmes permettent d’étudier des problèmes trop complexes pour être résolus avec le supercalculateur le plus avancé d’aujourd’hui, par exemple des processus chimiques complexes”, dit Vandersypen . .

La recherche a été publiée dans Nature .

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