Travaillant à l’échelle nanométrique, soit des milliardièmes de mètre, une équipe de scientifiques dirigée par le laboratoire national Oak Ridge du ministère de l’énergie a révélé une nouvelle façon de mesurer les fluctuations à grande vitesse dans les matériaux magnétiques. Les connaissances obtenues grâce à ces nouvelles mesures, publiées dans Nano Letters, pourraient être utilisées pour faire progresser des technologies allant de l’informatique traditionnelle au domaine émergent de l’informatique quantique.
De nombreux matériaux subissent des transitions de phase caractérisées par des changements progressifs, en fonction de la température, de propriétés fondamentales importantes. Comprendre le comportement des matériaux à proximité d’une température de transition critique est essentiel pour développer de nouvelles technologies qui tirent parti de propriétés physiques uniques. Dans cette étude, l’équipe a utilisé un capteur quantique à l’échelle nanométrique pour mesurer les fluctuations de spin à proximité d’une transition de phase dans un film mince magnétique. Les couches minces dotées de propriétés magnétiques à température ambiante sont essentielles pour le stockage de données, les capteurs et les appareils électroniques, car leurs propriétés magnétiques peuvent être contrôlées et manipulées avec précision.
L’équipe a utilisé un instrument spécialisé appelé microscope à balayage à centre de vacance de l’azote au Centre des sciences des matériaux nanophasés, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l’ORNL. Un centre de vacance de l’azote est un défaut à l’échelle atomique dans le diamant où un atome d’azote prend la place d’un atome de carbone et où un atome de carbone voisin est absent, ce qui crée une configuration spéciale d’états de spin quantique. Dans un microscope à centre de vacance de l’azote, le défaut réagit aux champs magnétiques statiques et fluctuants, ce qui permet aux scientifiques de détecter des signaux à un seul niveau de spin pour examiner des structures à l’échelle nanométrique.
« Le centre de vacance de l’azote fonctionne à la fois comme un bit quantique, ou qubit, et comme un capteur très sensible que nous avons déplacé sur la couche mince pour mesurer les changements des propriétés magnétiques en fonction de la température et les fluctuations de spin qui ne peuvent être mesurées d’aucune autre manière », a indiqué Ben Lawrie, chercheur à la division Science et technologie des matériaux de l’ORNL.
Les fluctuations de spin sont observées lorsque les propriétés magnétiques d’un matériau régies par l’orientation du spin changent de direction au lieu de rester fixes. L’équipe a mesuré les fluctuations de spin lorsque le film mince passait par une transition de phase entre différents états magnétiques, induite par une modification de la température de l’échantillon.
Ces mesures ont révélé comment les changements locaux dans les fluctuations de spin sont liés globalement près des transitions de phase. Cette compréhension à l’échelle nanométrique de l’interaction des spins pourrait déboucher sur de nouvelles technologies de traitement de l’information basées sur le spin et sur des connaissances plus approfondies sur de vastes catégories de matériaux quantiques.
« Les progrès de la spintronique amélioreront l’efficacité du stockage numérique et de l’informatique. Parallèlement, l’informatique quantique basée sur les spins offre la promesse alléchante d’une simulation classiquement inaccessible si nous parvenons à contrôler les interactions entre les spins et leur environnement », a ajouté M. Lawrie.
Ce type de recherche fait le lien entre les capacités de l’ORNL en matière d’information quantique et de physique de la matière condensée. « Si nous pouvons utiliser la génération actuelle de ressources quantiques pour mieux comprendre les états classiques et quantiques des matériaux, cela nous aidera à concevoir de nouveaux dispositifs quantiques avec des applications dans les domaines des réseaux, de la détection et de l’informatique », a conclu M. Lawrie.
Légende illustration : Un qubit à spin unique sonde les fluctuations de spin à l’échelle nanométrique pour révéler les interactions magnétiques dans les matériaux quantiques. Crédit : Andy Sproles/ORNL, U.S. Dept. of Energy
Article : « Nanoscale Magnetic Ordering Dynamics in a High CurieTemperature Ferromagnet » – DOI : 10.1021/acs.nanolett.4c05401
