Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI et de l'ETH Zurich ont découvert un phénomène particulier de magnétisme dans la gamme nano. Il permet d'assembler des aimants dans des configurations inhabituelles. Cela pourrait être utilisé pour construire des mémoires d'ordinateurs et des commutateurs pour augmenter les performances des microprocesseurs. Les résultats de ces travaux sont maintenant publiés dans la revue Science .

Les aimants se caractérisent par le fait qu'ils ont un pôle Nord et un pôle Sud. Si deux aimants communs sont maintenus proches l'un de l'autre, les pôles opposés s'attirent et comme les pôles se repoussent. C'est pourquoi les aiguilles magnétiques, tels que ceux trouvés dans une boussole, s'alignent dans le champ magnétique terrestre afin que nous puissions les utiliser pour déterminer les directions cardinales Nord et Sud et, dérivé de cela, Est et ouest. Dans le monde que nous vivons chaque jour avec nos sens, cette règle est correcte. Cependant, si vous quittez le monde macroscopique et plongez dans des profondeurs de dimensions beaucoup plus petites, cela change. Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI et de l'ETH Zurich ont maintenant découvert une interaction magnétique très particulière au niveau de structures nanoscopiques constituées de couches magnétiques de quelques atomes d'épaisseur seulement.

Les atomes agissent comme de minuscules aiguilles de boussole et déploient leur effet sur de minuscules distances de l'ordre du nanomètre, c'est-à-dire quelques millionièmes de millimètre. C'est pourquoi les chercheurs les appellent aussi nano-aimants.

Le phénomène que les chercheurs du PSI ont désormais pu observer repose sur une interaction que les deux physiciens Igor Dzyaloshinskii et Toru Mariya avaient prédite il y a plus de 60 ans. "C'était notre point de départ", dit Zhaochu Luo, physicien au PSI et à l'ETH Zurich.

Couplage nord-ouest et sud-est des atomes

Dans cette interaction, les aiguilles de la boussole atomique ne s'alignent pas seulement dans une direction nord-sud, mais aussi dans un sens Est-Ouest. "L'endroit où ils pointent dépend de la façon dont les atomes de leur voisinage s'orientent", dit Zhaochu Luo, premier auteur de l'étude. Par exemple, si un groupe d'atomes pointe vers le nord, le groupe voisin pointe toujours vers l'ouest. Et si un groupe d'atomes pointe vers le sud, puis les atomes voisins s'orientent vers l'Est.

Ces orientations peuvent être inversées par des champs magnétiques ou des courants électriques, c'est-à-dire du Nord au Sud et vice versa. Les groupes atomiques voisins se réorientent alors en conséquence, soit d'ouest en est ou vice versa.

Les chercheurs ont découvert le couplage de l'orientation nord-ouest et sud-est à l'aide d'une couche d'atomes de cobalt de seulement 1,6 nanomètre d'épaisseur, qui était pris en sandwich entre une couche de platine d'un côté et une couche d'oxyde d'aluminium de l'autre. "Le développement de ces couches spéciales pour nos seules expériences a pris environ six mois", dit Zhaochu Luo. Il travaille dans le groupe de recherche Systèmes mésoscopiques au PSI dirigé par Laura Heyderman, qui est également professeur à l'ETH Zurich.

Ce qui est inhabituel, c'est que cette interaction a lieu latéralement, c'est dans un seul plan. Précédemment, comparable couplings between nanomagnets could only be detected vertically, with groups of atoms arranged one above the other.

The phenomenon observed jointly by PSI and ETH Zurich researchers enables the development of planar magnetic networks. Entre autres, synthetic antiferromagnets can be produced. In these antiferromagnets, atomic groups point either North or South at regular intervals. The number of opposing nanomagnets is approximately the same, so that they neutralize each other in sum. This is why, à première vue, antiferromagnets do not act like magnets—for example, they do not stick to a fridge door.

The neighbouring atoms, which are oriented either to the West or to the East, act as spacers separating the magnets pointing North or South, each of which is as small as a few nanometres. This makes it possible, par exemple, to build new, more efficient computer memories and switches, which in turn makes microprocessors more powerful.

Logical gates for computers

The individual nanomagnets, which face either North or South, are suitable for constructing logic gates. A logic gate is a building block in a computer and functions as a kind of switch. Signals enter these gates and are then processed into an output signal. In a computer, many of these gates are networked to perform operations. Such a gate can also be constructed with the help of nanomagnets aligned to the North or South. These are analogous to processors commonly used today with transistors processing signals in binary form, which interpret all signals as zero or one. Nanomagnets that are oriented either North or South can also do this. This could make microprocessors more compact and efficient.

According to Pietro Gambardella, who supervised this study with Laura Heyderman, "this work provides a platform to design arrays of linked nanomagnets and achieve all-electric control of planar logic gates and storage devices", the scientists now write in Science .