(PhysOrg.com) -- La semaine dernière, des chercheurs d'IBM ont publié une technique révolutionnaire dans la revue à comité de lecture Science qui mesure combien de temps un seul atome peut contenir des informations, et donner aux scientifiques la possibilité d'enregistrer, étudier et « visualiser » des phénomènes extrêmement rapides à l'intérieur de ces atomes.

Tout comme les premiers films véhiculaient le mouvement grâce à la photographie à grande vitesse, Les scientifiques d'IBM Research - Almaden utilisent le microscope à effet tunnel comme une caméra à grande vitesse pour enregistrer le comportement d'atomes individuels à une vitesse environ un million de fois plus rapide qu'auparavant. Des chercheurs d'IBM à Zurich ont inventé le microscope à effet tunnel en 1981 et ont reçu le prix Nobel.

Depuis plus de deux décennies, les scientifiques d'IBM repoussent les limites de la science en utilisant le microscope à effet tunnel pour comprendre les propriétés fondamentales de la matière à l'échelle atomique, avec un vaste potentiel d'innovation révolutionnaire dans le stockage et le calcul de l'information.

La capacité de mesurer des phénomènes rapides à la nanoseconde ouvre un nouveau domaine d'expériences pour les scientifiques, car ils peuvent maintenant ajouter la dimension du temps aux expériences dans lesquelles des changements extrêmement rapides se produisent. Pour mettre cela en perspective, la différence entre une nanoseconde et une seconde est à peu près la même qu'une seconde à 30 ans. Une immense quantité de physique se produit pendant cette période que les scientifiques ne pouvaient pas voir auparavant.

"Cette technique développée par l'équipe de recherche d'IBM est une nouvelle capacité très importante pour caractériser les petites structures et comprendre ce qui se passe à des échelles de temps rapides, " a déclaré Michael Crommie, Université de Californie, Berkeley. "Je suis particulièrement enthousiasmé par la possibilité de le généraliser à d'autres systèmes, comme le photovoltaïque, où une combinaison de haute résolution spatiale et temporelle nous aidera à mieux comprendre divers processus nanométriques importants pour l'énergie solaire, y compris l'absorption de la lumière et la séparation des charges."

En plus de permettre aux scientifiques de mieux comprendre les phénomènes nanométriques dans les cellules solaires, cette percée pourrait être utilisée pour étudier des domaines tels que :

• L'informatique quantique. Les ordinateurs quantiques sont un type d'ordinateur radicalement différent - non lié à la nature binaire des ordinateurs traditionnels - avec le potentiel d'effectuer des calculs avancés qui ne sont pas possibles aujourd'hui. Avec la percée d'aujourd'hui, les scientifiques disposeront d'un nouveau moyen puissant pour explorer la faisabilité d'une nouvelle approche de l'informatique quantique grâce aux spins atomiques sur les surfaces.

• Technologies de stockage de l'information. Alors que la technologie approche de l'échelle atomique, les scientifiques ont exploré les limites du stockage magnétique. Cette percée permet aux scientifiques de « voir » les propriétés électroniques et magnétiques d'un atome et d'explorer si les informations peuvent être stockées de manière fiable sur un seul atome.

Comment ça fonctionne

Étant donné que le spin magnétique d'un atome change trop rapidement pour être mesuré directement à l'aide des techniques de microscope à effet tunnel déjà disponibles, le comportement dépendant du temps est enregistré par stroboscopie, d'une manière similaire aux techniques utilisées pour la première fois dans la création de films cinématographiques, ou comme dans la photographie en accéléré aujourd'hui.

En utilisant une technique de mesure « pompe-sonde », une impulsion de tension rapide (l'impulsion de pompe) excite l'atome et une impulsion de tension plus faible subséquente (l'impulsion de sonde) mesure alors l'orientation du magnétisme de l'atome à un certain moment après l'excitation. En substance, le délai entre la pompe et la sonde définit le temps de trame de chaque mesure. Ce retard est ensuite modifié pas à pas et le mouvement magnétique moyen est enregistré par petits incréments de temps. Pour chaque incrément de temps, les scientifiques répètent les impulsions de tension alternative environ 100, 000 fois, qui prend moins d'une seconde.

Dans l'expérience, des atomes de fer ont été déposés sur une couche isolante d'un seul atome d'épaisseur et supportés par un cristal de cuivre. Cette surface a été choisie pour permettre de sonder électriquement les atomes tout en conservant leur magnétisme. Les atomes de fer ont ensuite été positionnés avec une précision atomique à côté d'atomes de cuivre non magnétiques afin de contrôler l'interaction du fer avec l'environnement local des atomes voisins.

Les structures résultantes ont ensuite été mesurées en présence de différents champs magnétiques pour révéler que la vitesse à laquelle elles changent d'orientation magnétique dépend sensiblement du champ magnétique. Cela a montré que les atomes se détendent au moyen d'un effet tunnel quantique du moment magnétique de l'atome, un processus intrigant par lequel le magnétisme de l'atome peut inverser sa direction sans passer par des orientations intermédiaires. Cette connaissance peut permettre aux scientifiques de concevoir la durée de vie magnétique des atomes pour les allonger (pour conserver leur état magnétique) ou les raccourcir (pour passer à un nouvel état magnétique) selon les besoins pour créer de futurs dispositifs spintroniques.

« Cette percée nous permet - pour la première fois - de comprendre combien de temps l'information peut être stockée dans un atome individuel. Au delà de ça, la technique a un grand potentiel car elle est applicable à de nombreux types de physique se déroulant à l'échelle nanométrique, " dit Sébastien Loth, Recherche IBM. « L'investissement continu d'IBM dans la science exploratoire et fondamentale nous permet d'explorer le grand potentiel de la nanotechnologie pour l'avenir de l'industrie informatique. »