(PhysOrg.com) -- Une équipe internationale de chercheurs a réussi pour la première fois à créer de la glace de spin artificielle dans un état d'équilibre thermique, leur permettant d'examiner la configuration précise de cet important nanomatériau.

Des scientifiques de l'Université de Leeds, le laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie et le laboratoire Rutherford Appleton du Conseil des installations scientifiques et technologiques du Royaume-Uni affirment que cette percée leur permettra d'étudier de manière beaucoup plus détaillée un phénomène scientifique connu sous le nom de « monopôles magnétiques », que l'on pense exister dans de telles structures. Leurs conclusions sont publiées aujourd'hui dans la revue Physique de la nature .

La glace de spin artificielle est construite à l'aide de la nanotechnologie et est composée de millions de minuscules aimants, chacun des milliers de fois plus petit qu'un grain de sable. Les aimants existent dans un réseau dans ce qu'on appelle une structure « frustrée ». Comme la glace d'eau, la géométrie de la structure fait que toutes les interactions entre les atomes ne peuvent pas être satisfaites en même temps.

"C'est comme essayer de faire asseoir des convives hommes et femmes en alternance autour d'une table avec un nombre impair de places - même si vous les réorganisez, vous ne réussirez jamais, " a déclaré le Dr Christopher Marrows de l'Université de Leeds, co-auteur de l'article.

Dans la glace tournante, les dipôles magnétiques avec un pôle nord et sud sont disposés dans des structures tétraédriques. Chaque dipôle a des moments magnétiques, similaire aux protons sur les molécules H2O dans la glace d'eau, qui s'attirent et se repoussent. Par conséquent, les dipôles s'arrangent dans l'état d'énergie le plus bas possible, qui est deux pôles pointant vers l'intérieur et deux pointant vers l'extérieur.

Le Dr Marrows a déclaré :« Les glaces de spin ont suscité beaucoup d'enthousiasme ces dernières années, car on s'est rendu compte qu'elles sont un terrain de jeu pour les physiciens qui étudient les excitations magnétiques des monopoles et la physique des cordes de Dirac à l'état solide. Cependant, jusqu'à présent, tous les échantillons de ces structures artificielles créés en laboratoire étaient ce que nous appelons « bloqués ».

"Ce que nous avons fait, c'est trouver un moyen de débloquer la glace en rotation et de la mettre dans un état fondamental bien ordonné connu sous le nom d'équilibre thermique. Nous pouvons ensuite congeler un échantillon dans cet état, et utilisez un microscope pour voir dans quelle direction sont orientés tous les petits aimants. C'est l'équivalent de pouvoir prendre une photo de chaque atome dans une pièce car cela nous permet d'inspecter exactement comment la structure est configurée."

Jason Morgan, Doctorant à l'Université de Leeds et auteur principal de l'article, a été le premier membre de l'équipe à observer l'échantillon en équilibre. Il a déclaré:" Obtenir l'échantillon pour l'auto-commander de cette manière n'a jamais été réalisé expérimentalement auparavant et pendant un certain temps avait été considéré comme impossible. Mais lorsque nous avons regardé l'échantillon en utilisant la microscopie à force magnétique et avons vu cette belle structure périodique, nous avons su instantanément que nous avions atteint un état fondamental ordonné."

Les chercheurs ont également pu observer des excitations individuelles hors de cet état fondamental au sein de leur échantillon, ce qu'ils disent est une preuve de la dynamique des monopoles au sein du réseau.

Les monopôles magnétiques – des aimants n'ayant qu'un seul pôle nord ou sud ¬¬ – sont d'anciennes particules hypothétiques dont on pense maintenant qu'elles existent dans la glace de spin. Les scientifiques espèrent que la compréhension plus détaillée de ces monopôles pourrait conduire à des avancées dans un nouveau domaine technologique connu sous le nom de « magnéticité », un équivalent magnétique de l'électricité.

Co-auteur Sean Langridge, membre du Science and Technology Facilities Council (STFC) et professeur invité à l'Université de Leeds, a ajouté :« Dans les systèmes spin-glace naturels, cet état fondamental est prédit mais n'a pas été observé expérimentalement.

"Maintenant que cela a été observé dans un système artificiel, la prochaine étape consiste à observer dynamiquement les excitations de cet état fondamental. Nous ne pouvons le faire qu'en contrôlant les interactions avec des techniques lithographiques de pointe. Ce niveau de contrôle fournira un un meilleur niveau de compréhension dans ce système fascinant."

L'équipe a créé des échantillons de glace de spin "artificiels" à Brookhaven à l'aide d'un outil nanotechnologique de pointe appelé enregistreur à faisceau d'électrons. Une installation similaire de 4 millions de livres sterling sera bientôt ouverte à l'Université de Leeds, ce qui sera unique au Royaume-Uni et permettra une collaboration continue avec les chercheurs de Brookhaven.