Comme Bigfoot et le monstre du Loch Ness, les fluctuations de spin critiques dans un système magnétique n'ont pas été capturées sur film. Contrairement aux créatures légendaires, ces fluctuations, qui sont des schémas de spin des électrons fortement corrélés, existent bel et bien, mais ils sont trop aléatoires et turbulents pour être vus en temps réel.

Une équipe de Cornell a développé une nouvelle technique d'imagerie suffisamment rapide et sensible pour observer ces fluctuations critiques insaisissables dans les aimants bidimensionnels. Cette imagerie en temps réel permet aux chercheurs de contrôler les fluctuations et de commuter le magnétisme via un mécanisme « passif » qui pourrait éventuellement conduire à des dispositifs de stockage magnétique plus économes en énergie.

Collaboration radicale

Le papier de l'équipe, "Imagerie et contrôle des fluctuations critiques dans les aimants bidimensionnels, " publié le 8 juin dans Matériaux naturels .

Les co-auteurs principaux de l'article sont Kin Fai Mak, professeur agrégé de physique à la Faculté des arts et des sciences, et Jie Shan, professeur de physique appliquée et d'ingénierie au Collège d'ingénierie. Les deux chercheurs sont membres de l'Institut Kavli de Cornell pour la science à l'échelle nanométrique, et ils sont venus à Cornell grâce à l'initiative Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) du prévôt. Leur laboratoire commun est spécialisé dans la physique des matériaux quantiques atomiquement minces.

Les fluctuations de magnétisation sont considérées comme « critiques » lorsqu'elles se produisent à proximité du point critique thermodynamique, qui est le moment où une forme de matière passe à une nouvelle phase, donnant lieu à toutes sortes de phénomènes inhabituels. Un exemple typique est le fer, qui perd ses propriétés magnétiques lorsqu'il est chauffé à des températures extrêmes.

Dans cette région critique, ou régime, les fluctuations cessent de se comporter de manière aléatoire et deviennent à la place fortement corrélées.

"Si vous imaginez toutes les molécules d'air corrélées, ils se déplacent ensemble sur une très grande échelle de longueur comme le vent, " dit Chenhao Jin, un boursier postdoctoral avec l'Institut Kavli et l'auteur principal de l'article. « C'est ce qui se passe lorsque la fluctuation devient corrélée. Cela peut entraîner des effets dramatiques dans un système et à n'importe quelle échelle car la corrélation, en principe, peut aller à l'infini. La fluctuation que nous observons ici est la rotation, ou moment magnétique, fluctuations."

Ces fluctuations critiques de magnétisation sont difficiles à voir car elles changent constamment et se produisent dans une plage de température très étroite.

"Les physiciens ont étudié la transition de phase magnétique pendant de nombreuses décennies, et nous savons que ce phénomène s'observe plus facilement dans un système à deux dimensions, " dit Mak. "Qu'est-ce qui est plus bidimensionnel qu'un aimant qui n'a qu'une seule couche d'atomes?"

L'observation d'un signal provenant d'une seule couche atomique présente encore de nombreux défis. Les chercheurs ont utilisé un isolant ferromagnétique monocouche, bromure de chrome, qui, en tant que système bidimensionnel, présente un régime critique plus large et des fluctuations plus fortes. Afin de voir ces fluctuations en temps réel, les chercheurs avaient besoin d'une méthode tout aussi rapide, avec une haute résolution spatiale et une capacité d'imagerie à large champ.

L'équipe a pu répondre à ces critères en utilisant une lumière avec un état de polarisation très pur pour sonder la monocouche et enregistrer un signal clair du moment magnétique - qui est la force et l'orientation de l'aimant - alors qu'il effectue ses fluctuations spontanées.

La capacité de capturer ce phénomène en temps réel signifie que les chercheurs peuvent contrôler les fluctuations critiques de l'aimant simplement en appliquant une petite tension et en laissant les fluctuations basculer entre les états. Une fois l'état ou la valeur cible atteint, la tension peut être coupée. Aucun champ magnétique n'est nécessaire pour contrôler les fluctuations car elles se conduisent essentiellement elles-mêmes. Cela pourrait potentiellement conduire à la création de dispositifs de stockage magnétiques qui consomment beaucoup moins d'énergie.

"C'est un concept fondamentalement différent de la commutation d'état magnétique actif, car c'est totalement passif, " dit Mak. " C'est une commutation basée sur les informations obtenues à partir des mesures, plutôt que de piloter activement le système. C'est donc un nouveau concept qui pourrait potentiellement économiser beaucoup d'énergie."