Une fractale est un motif géométrique qui se reproduit encore et encore, à différentes tailles et échelles, au sein d'un même objet. Cette « similarité » peut être vue dans toute la nature, par exemple au bord d'un flocon de neige, un réseau fluvial, les veines fendues d'une fougère, et les fourches crépitantes de la foudre.

Aujourd'hui, des physiciens du MIT et d'ailleurs ont découvert pour la première fois des motifs de type fractal dans un matériau quantique, un matériau qui présente un comportement électronique ou magnétique étrange, en raison du quantum, effets à l'échelle atomique.

Le matériau en question est l'oxyde de nickel néodyme, ou NdNiO 3 , un nickelate de terre rare pouvant agir, paradoxalement, à la fois conducteur électrique et isolant, en fonction de sa température. Le matériau se trouve également être magnétique, bien que l'orientation de son magnétisme ne soit pas uniforme dans tout le matériau, mais ressemble plutôt à un patchwork de "domaines". Chaque domaine représente une région du matériau avec une orientation magnétique particulière, et les domaines peuvent varier en taille et en forme dans tout le matériau.

Dans leur étude, les chercheurs ont identifié un motif de type fractal dans la texture des domaines magnétiques du matériau. Ils ont constaté que la distribution des tailles de domaine ressemble à une pente descendante, reflétant un nombre plus élevé de petits domaines et un nombre plus faible de grands domaines. Si les chercheurs zoomaient sur n'importe quelle partie de la distribution totale, disons, une tranche de domaines de taille moyenne - ils ont observé le même schéma de pente descendante, avec un plus grand nombre de domaines plus petits que plus grands.

Comme il s'avère, cette même distribution apparaît à plusieurs reprises dans tout le matériau, quelle que soit la gamme de taille, ou l'échelle à laquelle il est observé - une qualité que l'équipe a reconnue comme étant de nature fractale.

"Le modèle de domaine était difficile à déchiffrer au début, mais après avoir analysé les statistiques de distribution des domaines, nous avons réalisé qu'il avait un comportement fractal, " dit Riccardo Comin, professeur assistant de physique au MIT. "C'était complètement inattendu, c'était un heureux hasard."

Les scientifiques explorent l'oxyde de nickel néodyme pour diverses applications, y compris en tant que bloc de construction possible pour les dispositifs neuromorphiques - des systèmes artificiels qui imitent les neurones biologiques. Tout comme un neurone peut être à la fois actif et inactif, en fonction de la tension qu'il reçoit, Le NdNiO3 peut être conducteur ou isolant. Comin dit qu'une compréhension des textures magnétiques et électroniques à l'échelle nanométrique du matériau est essentielle pour comprendre et concevoir d'autres matériaux pour des portées similaires.

Comin et ses collègues, y compris l'auteur principal et étudiant diplômé du MIT Jiarui Li, ont publié aujourd'hui leurs résultats dans la revue Communication Nature .

Phares, recentré

Comin et Li n'avaient pas l'intention de trouver des fractales dans un matériau quantique. Au lieu, l'équipe étudiait l'effet de la température sur les domaines magnétiques du matériau.

"Le matériau n'est pas magnétique à toutes les températures, ", dit Comin. "Nous voulions voir comment ces domaines apparaissent et se développent une fois que la phase magnétique est atteinte lors du refroidissement du matériau."

Pour faire ça, l'équipe a dû concevoir un moyen de mesurer les domaines magnétiques du matériau à l'échelle nanométrique, puisque certains domaines peuvent être aussi petits que plusieurs atomes de large, tandis que d'autres s'étendent sur des dizaines de milliers d'atomes.

Les chercheurs utilisent souvent les rayons X pour sonder les propriétés magnétiques d'un matériau. Ici, rayons X de basse énergie, connu sous le nom de rayons X mous, ont été utilisés pour détecter l'ordre magnétique du matériau et sa configuration. Comin et ses collègues ont effectué ces études en utilisant la National Synchrotron Light Source II au Brookhaven National Laboratory, où un massif, un accélérateur de particules en forme d'anneau projette des électrons par milliards. Les faisceaux lumineux de rayons X mous produits par cette machine sont un outil pour la caractérisation la plus avancée des matériaux.

"Mais reste, ce faisceau de rayons X n'est pas nanoscopique, " dit Comin. " Nous avons donc adopté une solution spéciale qui permet de réduire ce faisceau à un encombrement très réduit, pour que nous puissions cartographier, point par point, l'arrangement des domaines magnétiques dans ce matériau."

À la fin, les chercheurs ont développé une nouvelle lentille de focalisation des rayons X basée sur une conception utilisée dans les phares depuis des siècles. Leur nouvelle sonde à rayons X est basée sur la lentille de Fresnel, un type de lentille composite, qui n'est pas fait d'un seul, plaque de verre incurvée, mais à partir de nombreux morceaux de verre, disposés pour agir comme une lentille incurvée. Dans les phares, une lentille de Fresnel peut s'étendre sur plusieurs mètres de diamètre, et il est utilisé pour concentrer la lumière diffuse produite par une lampe brillante dans un faisceau directionnel qui guide les navires en mer. L'équipe de Comin a fabriqué une lentille similaire, bien que beaucoup plus petit, de l'ordre d'environ 150 microns de large, focaliser un faisceau de rayons X doux de plusieurs centaines de microns de diamètre, jusqu'à environ 70 nanomètres de large.

"La beauté de ceci est, nous utilisons des concepts d'optique géométrique connus depuis des siècles, et ont été appliqués dans les phares, et nous les réduisons simplement d'un facteur 10, 000 ou plus, " dit Comin.

Textures fractales

À l'aide de leur objectif spécial de focalisation des rayons X, les chercheurs, à la source lumineuse synchrotron de Brookhaven, focalisé les faisceaux de rayons X mous entrants sur un film mince d'oxyde de néodyme et de nickel. Ensuite, ils ont scanné le beaucoup plus petit, faisceau nanoscopique de rayons X à travers l'échantillon pour cartographier la taille, forme, et l'orientation des domaines magnétiques, point par point. Ils ont cartographié l'échantillon à différentes températures, confirmant que le matériau est devenu magnétique, ou des domaines magnétiques formés, en dessous d'une certaine température critique. Au dessus de cette température, les domaines ont disparu, et l'ordre magnétique a été effectivement effacé.

De façon intéressante, le groupe a constaté que s'ils refroidissaient l'échantillon en dessous de la température critique, les domaines magnétiques réapparurent presque au même endroit qu'auparavant.

« Donc, il s'avère que le système a de la mémoire, " dit Comin. " Le matériau conserve une mémoire de l'endroit où se trouveraient les bits magnétiques. C'était aussi très inattendu. Nous pensions que nous verrions une toute nouvelle distribution de domaine, mais nous avons observé le même schéma réapparaître, même après avoir apparemment effacé complètement ces bits magnétiques."

Après avoir cartographié les domaines magnétiques du matériau, et mesurer la taille de chaque domaine, les chercheurs ont compté le nombre de domaines d'une taille donnée, et tracé leur nombre en fonction de la taille. La distribution résultante ressemblait à une pente descendante - un modèle qu'ils ont trouvé, encore et encore, quelle que soit la gamme de taille de domaine sur laquelle ils se sont concentrés.

"Nous avons observé des textures d'une richesse unique couvrant plusieurs échelles spatiales, " dit Li. " Le plus frappant, nous avons découvert que ces motifs magnétiques ont une nature fractale."

Comin dit que comprendre comment les domaines magnétiques d'un matériau s'arrangent à l'échelle nanométrique, et sachant qu'ils font preuve de mémoire, est utile, par exemple dans la conception de neurones artificiels, et résilient, dispositifs de stockage de données magnétiques.

"Semblable aux disques magnétiques dans les disques durs en rotation, on peut envisager de stocker des bits d'information dans ces domaines magnétiques, " dit Comin. " Si le matériel a une sorte de mémoire, vous pourriez avoir un système robuste contre les perturbations externes, donc même s'il est soumis à la chaleur, l'information n'est pas perdue."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.