La spintronique et d'autres technologies exploitant la physique des minuscules aimants et leurs interactions sont déjà utilisées dans les têtes de lecture des disques durs et, plus récemment, dans la mémoire intégrée utilisée dans les smartphones pour leur fonctionnement à faible consommation. Une telle technologie pourrait un jour être utilisée dans d’autres applications informatiques, d’autant plus que l’efficacité énergétique et la miniaturisation deviennent de plus en plus importantes.
La thermodynamique est une branche fondamentale de la physique qui régit de nombreux aspects du comportement des matériaux, depuis une cuillère en métal chauffée dans une tasse de café chaud jusqu'à la façon dont les gaz se dilatent et exercent une pression. À l’échelle microscopique, où la mécanique quantique règne en maître et où la physique traditionnelle est à la hauteur, les scientifiques ont déjà découvert des effets liés au spin qui semblaient différents de la thermodynamique classique, qui étudie les états d’équilibre des systèmes.
"On supposait auparavant que dans les états de non-équilibre - où l'énergie est constamment pompée ou extraite du système - la thermodynamique ne peut pas être appliquée", a déclaré Joseph Heremans, l'auteur principal de l'article et Francis Hobart Vinton, professeur éminent de génie mécanique à Purdue. "Ce que nous avons découvert, c'est que les nanoparticules magnétiques en rotation se comportent selon les mêmes lois que les molécules d'un gaz."
Cette découverte ouvre la voie à de futures recherches sur les principes thermodynamiques de la matière à l’échelle quantique, qui restent une frontière sous-explorée. Les résultats s'alignent sur les efforts déployés par Heremans et son équipe pour développer un meilleur cadre théorique qui se rapproche davantage du comportement des matériaux réels à l'échelle nanométrique.
L'équipe de recherche a utilisé une approche informatique pour modéliser un système de nanoparticules magnétiques en suspension dans un fluide. Lorsqu’elles sont soumises à un champ magnétique oscillant, qui exerce un couple, les nanoparticules commenceraient à tourner. Plus ils tournaient vite, plus ils devenaient chauds. Cette découverte a amené les chercheurs à réaliser que les particules en rotation, agissant comme s’il s’agissait d’atomes ou de molécules individuelles, se comportaient en fait comme un gaz obéissant aux lois de la thermodynamique.
"L'objectif principal de cette recherche était d'essayer de combler le fossé entre la physique fondamentale et les applications pratiques des appareils", a déclaré Heremans. "Lorsqu'il s'agit d'appareils pratiques, nous ne mesurons pas souvent les particules individuellement :nous mesurons le comportement total de l'ensemble du matériau, c'est pourquoi nous utilisons des concepts tels que la température, la pression et le flux thermique."
L'étude a été publiée dans Physical Review Letters le 24 février.
