Des chercheurs du PSI ont observé pour la première fois comment de minuscules aimants dans une disposition spéciale s'alignent uniquement en raison des changements de température. Cette vision des processus qui se déroulent dans la soi-disant glace de spin artificielle pourrait jouer un rôle important dans le développement de nouveaux ordinateurs hautes performances. Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans la revue Nature Physics .

Lorsque l'eau gèle pour former de la glace, les molécules d'eau, avec leurs atomes d'hydrogène et d'oxygène, s'organisent en une structure complexe. L'eau et la glace sont des phases différentes, et la transformation de l'eau en glace s'appelle une transition de phase. En laboratoire, on peut produire des cristaux dans lesquels les moments magnétiques élémentaires, appelés spins, forment des structures comparables à la glace. C'est pourquoi les chercheurs appellent également ces structures glace de spin. "Nous avons produit de la glace de spin artificielle, constituée essentiellement de nano-aimants si petits que leur orientation ne peut changer qu'en fonction de la température", explique le physicien Kevin Hofhuis, qui vient de terminer sa thèse de doctorat au PSI et travaille désormais à l'université de Yale. aux États-Unis.

Dans le matériau utilisé par les chercheurs, les nano-aimants sont disposés en structures hexagonales - un motif connu de l'art japonais de la vannerie sous le nom de kagome. «Les transitions de phase magnétique avaient été théoriquement prédites pour la glace de spin artificielle de kagome, mais elles n'avaient jamais été observées auparavant», explique Laura Heyderman, responsable du Laboratoire d'expérimentation sur les matériaux multi-échelles au PSI et professeur à l'ETH Zurich. "La détection des transitions de phase n'a été rendue possible que grâce à l'utilisation d'une lithographie de pointe pour produire le matériau dans la salle blanche du PSI ainsi qu'à une méthode de microscopie spéciale à la source de lumière suisse SLS." La revue Nature Physique publie maintenant les résultats de ces expériences.

L'astuce :de minuscules ponts magnétiques

Pour leurs échantillons, les chercheurs ont utilisé un composé nickel-fer appelé permalloy, qui a été déposé sous forme de film mince sur un substrat de silicium. Ils ont utilisé un processus de lithographie pour former à plusieurs reprises un petit motif hexagonal de nano-aimants, chaque nano-aimant mesurant environ un demi-micromètre (millionième de mètre) de long et un sixième de micromètre de large. Mais ce n'est pas tout. "L'astuce consistait à connecter les nano-aimants à de minuscules ponts magnétiques", explique Hofhuis. "Cela a conduit à de petits changements dans le système qui nous ont permis d'ajuster la transition de phase de manière à pouvoir l'observer. Cependant, ces ponts devaient être vraiment petits, car nous ne voulions pas changer le système. trop."

Le physicien est encore étonné que cette entreprise ait réussi. Avec la création des nanoponts, il repoussait les limites de la résolution spatiale techniquement possible des méthodes de lithographie d'aujourd'hui. Certains des ponts ne mesurent que dix nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre. Les ordres de grandeur de cette expérience sont en effet impressionnants, déclare Hofhuis :"Alors que les plus petites structures de notre échantillon sont de l'ordre du nanomètre, l'instrument pour les imager - SLS - a une circonférence de près de 300 mètres." Heyderman ajoute :"Les structures que nous examinons sont 30 milliards de fois plus petites que les instruments avec lesquels nous les examinons."

Microscopie et théorie

Sur la ligne de lumière SIM de SLS, l'équipe a utilisé une méthode spéciale appelée microscopie électronique à photoémission qui a permis d'observer l'état magnétique de chaque nanoaimant individuel dans le réseau. Ils ont été activement soutenus par Armin Kleibert, le scientifique en charge du SIM. "Nous avons pu enregistrer une vidéo qui montre comment les nanoaimants interagissent les uns avec les autres lorsque nous modifions la température", résume Hofhuis. The original images simply contain black and white contrast that switched from time to time. From this, the researchers were able to deduce the configuration of the spins, that is, the alignment of the magnetic moments.

"If you watch a video like this, you don't know what phase you're in," explains Hofhuis. This called for theoretical consideration, which was contributed by Peter Derlet, PSI physicist and adjunct professor at ETH Zurich. His simulations showed what should theoretically happen at the phase transitions. Only the comparison of the recorded images with these simulations proved that the processes observed under the microscope actually are phase transitions.

Manipulating phase transitions

The new study is another achievement in the investigation of artificial spin ice that Laura Heyderman's group has been pursuing for more than a decade. "The great thing about these materials is that we can tailor them and see directly what is happening inside them," the physicist says. "We can observe all sorts of fascinating behavior, including the phase transitions and ordering that depend on the layout of the nanomagnets. This is not possible with spin systems in conventional crystals." Although these investigations are still pure fundamental research at the moment, the researchers are already thinking about possible applications. "Now we know that we can see and manipulate different phases in these materials, new possibilities are opening up," says Hofhuis.

Controlling different magnetic phases could be interesting for novel types of data processing. Researchers at PSI and elsewhere are investigating how the complexity of artificial spin ice could be used for novel high-speed computers with low power consumption. "The process is based on the information processing in the brain and takes advantage of how the artificial spin ice reacts to a stimulus such as a magnetic field or an electric current," explains Heyderman. + Explorer plus loin

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