Une équipe de scientifiques a trouvé un nouveau moyen de transformer la chaleur ambiante en mouvement dans des dispositifs à l'échelle nanométrique - une découverte qui pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour le stockage de données, capteurs, nanomoteurs et autres applications dans le monde de plus en plus restreint de l'électronique.

Dans un nouvel article publié aujourd'hui dans la revue Matériaux naturels , une équipe internationale de chercheurs de divers instituts dont l'Université de Glasgow et l'Université d'Exeter au Royaume-Uni, ainsi que de l'ETH Zurich et de l'Institut Paul Scherrer en Suisse, décrire comment ils ont créé un système magnétique capable d'extraire de l'énergie thermique à l'échelle nanométrique, utilisant le concept d'un engrenage appelé cliquet, et transformer l'énergie magnétique en rotation dirigée de l'aimantation.

Le cliquet thermique a été réalisé dans un matériau connu sous le nom de « glace de rotation artificielle, " constitué d'un assemblage de minuscules nano-aimants de Permalloy, un alliage nickel-fer. Les nano-aimants individuels ne mesurent que 470 nanomètres de long (soit environ 200 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain) et 170 nanomètres de large, avec un seul domaine magnétique; C'est, l'aimantation ne peut pointer que dans l'une des deux directions le long du grand axe de l'aimant. Après avoir utilisé un champ magnétique externe pour régler l'aimantation dans une direction donnée, , les chercheurs ont observé que l'aimantation ne tournait que dans l'une des deux directions possibles, sans raison évidente pour laquelle une voie devrait être préférée à l'autre.

Sébastien Gliga, l'auteur principal de l'étude et chercheur Marie Curie à l'Université de Glasgow, rappelle :« Le système que nous avons étudié est une glace de spin artificielle, une classe de matériaux magnétiques géométriquement frustrés.

"Nous avons été surpris de voir que la géométrie des interactions peut être adaptée pour obtenir un matériau actif qui présente une chiralité dynamique et agit ainsi comme un cliquet." La chiralité signifie qu'un objet semble différent de son image miroir, comme nos mains gauche et droite. La chiralité peut aussi se produire en mouvement :l'exemple le plus connu est le une toupie en forme de bateau qui préfère tourner dans une seule direction.

Le professeur Robert Stamps de l'Université du Manitoba (auparavant à l'Université de Glasgow) a souligné que ce sont les propriétés des bords de l'assemblage qui déterminent le comportement thermique du cliquet. "Nous avons soupçonné dès le début que les frontières affecteraient fortement l'ordre magnétique et la dynamique."

C'est cette idée et cette proposition de géométrie du professeur Stamps qui ont finalement conduit au comportement intrigant mesuré par les chercheurs.

Le mécanisme conduisant au comportement observé n'était pas évident, cependant, et ce n'est que par la modélisation numérique que le rôle précis des arêtes est devenu clair. Selon le professeur Gino Hrkac, deuxième auteur du rapport, de l'Université d'Exeter et chercheur de la Royal Society, "Nous avons essayé de comprendre pendant un certain temps comment le système fonctionnait avant de réaliser que les bords créaient un potentiel énergétique asymétrique." Cette asymétrie se reflète dans la distribution du champ magnétique aux limites du réseau de nano-aimants et provoque la rotation de l'aimantation dans une direction privilégiée.

Pour imager l'évolution de l'état magnétique du système, les scientifiques ont utilisé des rayons X et le soi-disant effet dichroïque circulaire magnétique à rayons X. Les mesures ont été effectuées à la source lumineuse synchrotron Swiss Light Source à l'Institut Paul Scherrer en Suisse et à l'Advanced Light Source, Laboratoire national Lawrence Berkeley aux États-Unis.

Selon le professeur Laura Heyderman de l'ETH Zurich et de l'Institut Paul Scherrer :« La glace de spin artificielle a principalement été utilisée pour répondre à des questions scientifiques, par exemple concernant la physique de la frustration. C'est une belle démonstration de la façon dont la glace de spin artificielle peut être un matériau fonctionnel et constitue un pas vers les applications. »

Ces découvertes établissent une voie inattendue pour transformer l'énergie magnétique en un mouvement dirigé de magnétisation. L'effet maintenant trouvé dans les structures magnétiques bidimensionnelles vient avec la promesse qu'il sera d'une utilisation pratique dans les dispositifs nanométriques, tels que les nanomoteurs magnétiques, actionneurs, ou capteurs. En effet, parce que le moment cinétique est conservé et que le spin est un type de moment cinétique, le changement du moment magnétique du système peut en principe induire une rotation physique du système (par l'effet Einstein-de Haas). Il peut également trouver des applications dans la mémoire magnétique où des bits pourraient être stockés par chauffage local avec des impulsions laser.

Le papier, intitulé " Chiralité dynamique émergente dans un cliquet de rotation artificielle à entraînement thermique, " est publié dans Matériaux naturels .