Crédit :Université de technologie de Vienne
Il est très difficile de prendre une photo d'un colibri battant des ailes 50 fois par seconde. Le temps d'exposition doit être beaucoup plus court que l'échelle de temps caractéristique du battement d'aile, sinon vous ne verrez qu'un flou coloré. Un problème similaire est rencontré en physique du solide, où le but est de déterminer les propriétés magnétiques d'un matériau. Le moment magnétique à un certain endroit peut changer très rapidement. Par conséquent, les chercheurs ont besoin de méthodes de mesure suffisamment rapides pour résoudre ces fluctuations. Avec cette idée de base à l'esprit, scientifiques de la TU Wien (Vienne), en collaboration avec des groupes de recherche de Würzburg (Allemagne), a maintenant réussi à résoudre une énigme de la physique du solide.
Magnétisme et supraconductivité
« Si vous voulez comprendre un matériau, il faut comprendre ses propriétés magnétiques, " explique le professeur Alessandro Toschi de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. " Non seulement ils nous disent comment le matériau réagit aux champs magnétiques, ils sont également étroitement liés à d'autres propriétés du matériau, par exemple, son comportement électrique. » Les propriétés des matériaux magnétiques jouent un rôle particulièrement important dans la recherche de supraconducteurs à haute température.
Cependant, les chercheurs ont constaté à plusieurs reprises que différentes mesures du magnétisme de certains matériaux conduisent à des résultats différents. "Parfois, aucun résultat significatif n'a été obtenu, parfois des méthodes de mesure différentes ont conduit à des données contradictoires, " déclare Clemens Watzenböck (Institut de physique du solide, TU Vienne). "Nous étions maintenant en mesure de résoudre ce mystère avec des calculs purement théoriques."
La mobilité des électrons
L'équipe de Vienne et de Würzburg a pu montrer que la mobilité des électrons dans le matériau détermine quelles méthodes peuvent être utilisées pour mesurer les propriétés magnétiques. "Le spin des électrons dans le matériau provoque un moment magnétique qui fluctue assez spontanément. Ces fluctuations magnétiques sont causées par le mouvement naturel des électrons. Par conséquent, le moment magnétique peut également être annulé très rapidement par le mouvement des électrons, " dit Toschi. " Plus les électrons peuvent se déplacer rapidement à l'intérieur du matériau, plus vite ils peuvent obscurcir l'occurrence d'un moment magnétique."
Cela signifie que s'il y a un processus dans le matériau qui ralentit les électrons, par exemple, forte diffusion avec d'autres électrons ou avec les atomes vibrants du matériau de sorte qu'ils ne peuvent plus se déplacer très rapidement dans le cristal - alors le moment magnétique correspondant reste mesurable beaucoup plus longtemps.
« Nous avons développé une méthode qui nous permet de savoir, par des analyses théoriques affinées et des simulations numériques, sur quelle échelle de temps typique les moments magnétiques dans un matériau particulier sont protégés, " explique Watzenböck. Le moment magnétique ne peut être mesuré que si vous disposez d'une méthode de mesure qui produit un résultat sur une échelle de temps plus courte. Si la mesure prend plus de temps, vous n'obtenez qu'un résultat moyen flou, comme lorsque vous photographiez un colibri avec un long temps d'exposition.
Supraconducteurs de fer
L'équipe de recherche a pu appliquer cette approche à la classe de matériaux particulièrement importante des supraconducteurs à base de fer. "Nous avons pu montrer que l'échelle de temps caractéristique des fluctuations magnétiques dans ces supraconducteurs diffère d'un ordre de grandeur selon le matériau - elle va d'environ 3 femtosecondes à environ 30 femtosecondes, " rapporte Clemens Watzenböck.
Parfois, le moment magnétique change de direction rapidement, parfois c'est plus stable. Il est important de choisir des échelles de temps suffisamment courtes pour la mesure - sinon, tout est flou. Crédit :Université de technologie de Vienne
Ceci explique pourquoi les résultats des expériences neutroniques inélastiques sont faciles à interpréter pour certains matériaux et pas pour d'autres :L'échelle de temps de telles expériences neutroniques est d'environ 10 femtosecondes. Assez court pour certains matériaux, mais trop long pour les autres. Si, d'autre part, d'autres méthodes de mesure sont utilisées, comme la spectroscopie aux rayons X, qui fonctionne sur une échelle de temps plus courte, le moment magnétique de tous ces matériaux doit rester clairement visible.
La nouvelle méthode de calcul des échelles de temps caractéristiques des matériaux peut être appliquée non seulement aux propriétés magnétiques, mais également à d'autres propriétés importantes des matériaux. "Nous supposons que notre nouvelle méthode sera très utile à l'avenir pour planifier et interpréter correctement une grande variété d'expériences spectroscopiques, " dit Alessandro Toschi, "Il y a encore beaucoup de questions ouvertes dans ce domaine - avec notre méthode, nous voulons maintenant mieux comprendre la physique des matériaux connus et même faciliter la recherche de nouveaux, de meilleurs matériaux, tels que les supraconducteurs avec des températures critiques élevées.
