Des physiciens de l'Université de l'Iowa ont proposé une nouvelle technique pour détecter et mesurer les matériaux qui émettent des signaux magnétiques faibles ou n'ont aucun champ magnétique. Leur solution utiliserait une sonde non invasive pour induire une réponse magnétique dans le matériau étudié, puis détecterait comment cette réponse modifie le champ magnétique de la sonde.

La technique a de nombreuses applications potentielles dans le monde réel, y compris produire des machines d'imagerie par résonance magnétique (IRM) plus sensibles, développer des mémoires de stockage à grande vitesse dans l'industrie des semi-conducteurs, et produire des unités de traitement informatique (CPU) plus efficaces.

"Cette approche est conçue pour mesurer la situation où si vous n'aviez pas la sonde à proximité, tu ne verrais rien. Il n'y aurait pas du tout de champs magnétiques, " dit Michel Flatté, professeur de physique et d'astronomie et auteur principal de l'article publié dans la revue Lettres d'examen physique . "C'est seulement la sonde elle-même qui provoque la présence des champs magnétiques."

La sonde le fait en créant des « moments magnétiques » dans des matériaux qui, autrement, émettraient un champ magnétique faible ou n'auraient aucun champ magnétique. Les moments magnétiques se produisent lorsqu'un groupe d'électrons s'oriente dans la même direction, un peu comme de minuscules aiguilles de boussole pointant toutes, dire, Nord. Cette orientation uniforme crée un petit champ magnétique. Le fer, par exemple, produit une forte réponse car la plupart de ses électrons s'orientent dans la même direction lorsqu'il rencontre une force magnétique.

Tout ce qu'il faut pour la sonde, qui ne fait que quelques nanomètres de diamètre, pour créer un moment magnétique, deux de ses six électrons s'alignent sur la même orientation directionnelle. Quand cela arrive, la sonde stimule suffisamment d'électrons dans des matériaux avec des champs magnétiques faibles ou inexistants pour se réorienter, créant un moment magnétique dans le matériau - ou juste assez d'un - que la sonde peut détecter. L'influence du moment magnétique du matériau sur le champ magnétique de la sonde est mesurable, qui donne aux chercheurs les moyens de calculer les dimensions physiques du matériau, comme son épaisseur.

"Ces électrons (dans les matériaux avec des champs magnétiques faibles ou inexistants) ont leur propre champ qui agit en retour sur la sonde et déforme la sonde (d'une certaine manière) que vous pouvez ensuite mesurer, " dit Flatté, directeur du Optical Science Technology Center de l'UI.

Cela devient important lorsque vous essayez de capturer les dimensions des couches magnétiques qui sont enterrées ou prises en sandwich entre des couches non magnétiques. De telles situations surviennent lorsque l'on travaille avec des semi-conducteurs et augmenteront à mesure que le traitement informatique progresse.

"Nous calculons la réponse magnétique, et à partir de là, nous saurions où se terminent les champs magnétiques et donc connaître l'épaisseur de la couche, ", dit Flatté.

Le concept s'appuie sur une approche d'échantillonnage émergente appelée magnétométrie à centre de lacunes d'azote. Cette technique, qui repose sur un défaut introduit dans la structure cristalline d'un diamant (sous-jacent à un atome d'azote pour deux atomes de carbone), est efficace en partie parce que la sonde qu'il utilise (comme la sonde UI proposée) est en diamant, ce qui crée de petits moments magnétiques clés pour détecter les champs magnétiques dans les matériaux étudiés.

Mais il y a un inconvénient :la magnétométrie à centre à lacunes d'azote ne fonctionne qu'avec des matériaux magnétisés. Cela exclut les supraconducteurs, où le champ magnétique cesse d'exister à certaines températures, et bien d'autres matériaux. La solution proposée par Flatté et le co-auteur Joost van Bree contourne cela en utilisant la sonde pour créer un champ magnétique qui force les matériaux avec des champs magnétiques faibles ou inexistants à y réagir.

"Si vous appliquez un champ magnétique à un supraconducteur, il tentera d'annuler ce champ magnétique qui lui est appliqué, " dit Flatté. " Même si ça fait ça, il crée un champ magnétique à l'extérieur de lui-même qui affecte ensuite les centres de spin. C'est ce qu'on peut alors détecter."