Impression d'artiste du ferromagnétisme de Nagaoka sur le réseau 2x2 de points quantiques. Crédit :Sofia Navarrete et María Mondragón De la Sierra pour QuTech
En 1966, Le physicien japonais Yosuke Nagaoka a prédit l'existence d'un phénomène assez frappant :le ferromagnétisme de Nagaoka. Sa théorie rigoureuse explique comment les matériaux peuvent devenir magnétiques, avec une mise en garde :les conditions spécifiques qu'il a décrites ne surviennent naturellement dans aucun matériau. Des chercheurs de QuTech, une collaboration entre TU Delft et TNO, ont maintenant observé des signatures expérimentales du ferromagnétisme de Nagaoka à l'aide d'un système quantique conçu. Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans La nature .
Les aimants familiers tels que ceux de votre réfrigérateur sont un exemple quotidien d'un phénomène appelé ferromagnétisme. Chaque électron a une propriété appelée "spin", ce qui l'amène à se comporter comme un minuscule aimant lui-même. Dans un ferromagnétique, les spins de nombreux électrons s'alignent, se combinant en un seul grand champ magnétique. Cela semble être un concept simple, mais Nagaoka a prédit un mécanisme nouveau et surprenant par lequel le ferromagnétisme pourrait se produire, un mécanisme qui n'avait été observé dans aucun système auparavant.
casse-tête pour enfant
"Pour comprendre la prédiction de Nagaoka, imaginez le simple jeu mécanique pour enfants appelé le puzzle coulissant, " a déclaré JP Dehollain, qui a réalisé les expériences avec Uditendu Mukhopadhyay. "Ce puzzle se compose d'une grille de quatre par quatre tuiles, avec un seul emplacement vide pour permettre aux tuiles de glisser pour résoudre le puzzle. Prochain, pensez à l'aimant de Nagaoka comme un réseau carré bidimensionnel similaire, où chaque tuile est un électron. Les électrons se comportent alors comme les tuiles du jeu pour enfants, se traînant dans le treillis."
Si les spins des électrons ne sont pas alignés (c'est-à-dire que chaque tuile a une flèche pointant dans une direction différente dans notre analogie), alors les électrons formeront un arrangement différent après chaque remaniement. En revanche, si tous les électrons sont alignés (tous les carreaux ont des flèches pointant dans le même sens), le puzzle reste toujours le même, peu importe comment les électrons sont mélangés. "Nagaoka a découvert que l'alignement des spins des électrons entraîne une énergie plus faible du système, " dit Dehollain. " En conséquence, le système d'un réseau carré 2-D qui a un électron manquant préférera naturellement être dans un état dans lequel tous les spins des électrons sont alignés - un état ferromagnétique de Nagaoka."
