Une caractéristique unique de ces éléments est que leurs électrons les plus importants, à savoir ceux assurant la plus grande partie de l'aimantation de l'atome, sont localisés dans des orbitales spécifiques (appelées 4f) qui sont cachées profondément à l'intérieur des atomes. Par conséquent, il est difficile d'utiliser un courant électrique pour les détecter, ce qui pourrait créer des défis pour leur intégration dans les appareils électroniques.

Les scientifiques essaient d'établir si des électrons provenant de sources plus externes, et accessible électriquement, les orbitales peuvent être utilisées comme canal de lecture au lieu des électrons plus cachés. "Nous avions besoin de trouver une technique qui pourrait mesurer les électrons dans ces atomes, littéralement orbital par orbital, pour découvrir comment ils coopèrent et contribuent aux propriétés magnétiques de l'atome ", explique le Dr Aparajita Singha, qui a commencé la recherche en tant que post-doctorant à QNS et dirige maintenant un groupe à l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide.

L'expérience a été réalisée en utilisant des températures très basses (-270 C) pour garder les atomes de lanthanide "gelés" sur leur substrat de support, qui est un film d'oxyde de magnésium. Il a fallu utiliser des champs magnétiques très élevés - 100, 000 fois plus fort que le champ magnétique terrestre pour magnétiser les atomes de lanthanides et mesurer les propriétés de leurs électrons. Les chercheurs ont utilisé les rayons X pour frapper les électrons très près du noyau et les exciter vers les orbitales cibles qu'ils voulaient détecter. "Bien que cette approche soit connue pour fonctionner pour les cristaux composés d'une grande collection d'atomes, La question de savoir si des orbitales individuelles pouvaient être mesurées dans des atomes isolés était une grande question ouverte", a déclaré Donati. "Vous pouvez imaginer à quel point il était excitant de voir les premières données apparaître à l'écran pendant les mesures. Ce n'est qu'alors que nous avons réalisé qu'il n'y avait pas de théorie prête à expliquer nos résultats. Il y avait encore beaucoup de travail à faire."

Par rapport à la phase de collecte des données, qui n'a nécessité que quelques semaines de mesures, l'analyse et le développement d'un modèle interprétatif ont occupé les scientifiques pendant plusieurs mois. En utilisant cette combinaison d'expérience et de théorie, les chercheurs ont pu identifier comment les électrons étaient répartis entre les orbitales atomiques. "Nous pensons que connaissant la structure de ces atomes, orbitale par orbitale, fournira de nouvelles directions pour concevoir les propriétés des futurs appareils, comme les ordinateurs quantiques et les disques durs magnétiques ultra-denses », a conclu Donati.