Pour la première fois, les physiciens ont démontré que l'information peut circuler à travers un fil de diamant. Dans l'expérience, les électrons ne traversaient pas le diamant comme ils le font dans l'électronique traditionnelle; plutôt, ils restaient en place et se transmettaient un effet magnétique appelé « tourner » le long du fil, comme une rangée de spectateurs sportifs faisant « la vague ».

Spin pourrait un jour être utilisé pour transmettre des données dans des circuits informatiques - et cette nouvelle expérience, fait à l'Ohio State University, a révélé que le diamant transmet mieux le spin que la plupart des métaux dans lesquels les chercheurs ont déjà observé l'effet.

Des chercheurs du monde entier travaillent au développement de ce qu'on appelle la « spintronique, " qui pourraient rendre les ordinateurs à la fois plus rapides et plus puissants.

Diamond a beaucoup à offrir en matière de spintronique, a déclaré l'enquêteur principal Chris Hammel, Ohio Eminent Scholar en Physique Expérimentale à Ohio State. C'est dur, transparent, isolant électrique, insensible à la contamination de l'environnement, résistant aux acides, et ne retient pas la chaleur comme le font les semi-conducteurs.

"Essentiellement, c'est inerte. Vous ne pouvez rien y faire. A un scientifique, les diamants sont un peu ennuyeux, sauf si vous vous fiancez, " a déclaré Hammel. "Mais il est intéressant de penser à la façon dont le diamant fonctionnerait dans un ordinateur."

Le prix du fil de diamant n'a pas atteint les proportions d'une bague de fiançailles, Hammel a confirmé. Cela ne coûte que 100 $, puisqu'il était en synthétique, plutôt que naturel, diamant.

Les résultats ici représentent le premier très petit pas sur une très longue route qui pourrait un jour conduire aux transistors en diamant.

Mais au-delà, cette découverte pourrait changer la façon dont les chercheurs étudient le spin, dit Hammel.

La découverte apparaît dans le numéro du 23 mars de la revue Nature Nanotechnologie .

Les électrons atteignent différents états de spin selon la direction dans laquelle ils tournent, vers le haut ou vers le bas. L'équipe de Hammel a placé un minuscule fil de diamant dans un microscope à force de résonance magnétique et a détecté que les états de spin à l'intérieur du fil variaient selon un motif.

"Si ce fil faisait partie d'un ordinateur, il transférerait des informations. Il ne fait aucun doute que vous seriez en mesure de dire à l'extrémité du fil quel était l'état de spin de la particule d'origine au début, " il a dit.

Normalement, le diamant ne pouvait pas du tout porter de spin, parce que ses atomes de carbone sont verrouillés ensemble, avec chaque électron fermement attaché à un électron voisin. Les chercheurs ont dû ensemencer le fil avec des atomes d'azote pour qu'il y ait des électrons non appariés qui puissent tourner. Le fil ne contenait qu'un atome d'azote pour trois millions d'atomes de diamant, mais cela suffisait pour permettre au fil de porter le fil.

L'expérience a fonctionné parce que les physiciens de l'État de l'Ohio ont pu observer le spin des électrons à une échelle plus petite que jamais. Ils ont concentré le champ magnétique dans leur microscope sur des portions individuelles du fil, et ont découvert qu'ils pouvaient détecter quand la rotation passait à travers ces portions.

Le fil ne mesurait que quatre micromètres de long et 200 nanomètres de large. Pour voir à l'intérieur, ils règlent la bobine magnétique du microscope pour qu'elle s'allume et s'éteigne pendant de minuscules fractions de seconde, générer des impulsions qui ont créé des instantanés de 15 nanomètres (environ 50 atomes) du comportement des électrons. Ils savaient que la rotation traversait le diamant lorsqu'un aimant sur un porte-à-faux délicat déplaçait des quantités infimes car il était alternativement attiré ou repoussé par les atomes du fil, en fonction de leurs états de spin.

Encore plus surprenant était que les états de spin duraient deux fois plus longtemps près de l'extrémité du fil qu'au milieu. Sur la base d'expériences ordinaires, les physiciens s'attendraient à ce que les états de spin durent la même durée, quel que soit l'endroit où la mesure a été effectuée. Dans ce cas, les états de rotation à l'intérieur du fil ont duré environ 15 millisecondes, et vers la fin, ils ont duré 30 millisecondes.

L'équipe de Hammel soupçonne qu'elle a pu assister à ce nouvel effet en partie à cause de la proximité avec laquelle elle a pu zoomer sur le fil. Alors qu'ils concentraient leur minuscule fenêtre d'observation sur le bout du fil, ils ont été témoins d'une rotation qui s'écoulait dans la seule direction où elle pouvait s'écouler :dans le fil. Quand ils ont balayé le fil pour observer le milieu, la "fenêtre" vidée de tourner deux fois plus vite, parce que les états de spin pourraient circuler dans les deux sens, à l'intérieur et à l'extérieur du fil.

"C'est un effet dramatiquement énorme que nous n'avions pas prévu, " dit Hammel.

La découverte remet en question la façon dont les chercheurs ont étudié le spin au cours des 70 dernières années, expliqua Hammel.

"Le fait que les spins puissent se déplacer comme ça signifie que la manière conventionnelle dont le monde mesure la dynamique des spins au niveau macroscopique doit être reconsidérée - ce n'est en fait pas valable, " il ajouta.

Les expériences conventionnelles n'ont pas la résolution fine pour regarder à l'intérieur d'objets aussi petits que le fil utilisé dans cette étude, et ne peut donc considérer ces objets que dans leur ensemble. Dans ces circonstances, les chercheurs ne peuvent détecter que l'état de spin moyen :combien d'électrons dans l'échantillon pointent vers le haut, et combien pointent vers le bas. Les chercheurs ne sauraient pas faire la différence si quelques électrons dans une partie de l'échantillon basculaient de bas en haut, et une autre partie a basculé de haut en bas, car le nombre moyen de tours resterait le même.

"Ce n'est pas la moyenne que nous voulons, " a déclaré Hammel. "Nous voulons savoir de combien les tours varient, et quelle est la durée de vie d'un état de spin particulier."

C'est la différence entre savoir qu'en moyenne un quart de tous les spectateurs d'un stade sont debout à un moment donné, et sachant que des personnes individuelles sont debout et assises selon un schéma chronométré pour former « la vague ».

Personne ne pouvait voir les tours en diamant avant, mais cette expérience a prouvé que le diamant peut transporter le spin de manière organisée, en préservant l'état de spin - et, Donc, conservation des informations.

Les physiciens ont dû refroidir le fil à 4,2 Kelvin (environ -452 degrés Fahrenheit ou -269 degrés Celsius) pour ralentir les spins et calmer suffisamment leur détecteur sensible pour rendre ces quelques spins détectables. De nombreux progrès devraient être réalisés avant que l'effet puisse être exploité à température ambiante.