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Posté par Redbran le Jeudi 13/07/2017 à 00:00
Spins opposés: la théorie de Mott enfin démontrée

Graphène
La spectroscopie térahertz révèle le mouvement ultra-rapide des électrons dans le graphène et les matériaux magnétiques

Grâce à une série d'expériences innovantes, des scientifiques ont étudié comment le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) et les métaux ferromagnétiques conduisent l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne...) sur des périodes extrêmement courtes, ce qui servira à la nouvelle génération d'électronique ultra-rapide.

Sous direction allemande, les travaux du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une...) LIGHTER ont exploré l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à...) et de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) sur des durées extrêmement brèves, débouchant sur des résultats très intéressants pour les physiciens et les ingénieurs.

Le projet, soutenu par une bourse Marie Curie (Maria Sk?odowska-Curie (née à Varsovie le 7 novembre 1867 et décédée à Sancellemoz le 4 juillet 1934), connue en France sous le nom de Marie Curie, est une...) d'intégration de carrière attribuée au chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les...) Dmitry Turchinovich, a exploité une technique avancée de spectroscopie térahertz pour explorer certains aspects fondamentaux de l'électronique.

"Nous voulions comprendre comment, dans certains matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) comme les métaux ferromagnétiques ou le graphène, les électrons interagissent avec les champs électriques sur des durées extrêmement courtes, de l'ordre de la picoseconde ou moins", déclare le professeur Turchinobich, qui à l'époque du projet dirigeait un groupe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) Max Planck de recherche sur les polymères de Mayence, en Allemagne. "Ces échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) sont fondamentales pour la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) élémentaire dans les solides."

La théorie de Mott enfin démontrée

Les mémoires magnétiques modernes, comme les disques durs à haute capacité, stockent les informations sous la forme de minuscules bits magnétiques qui sont interrogés par des capteurs magnétiques nanométriques appelés vannes de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même...). Les vannes de spin fonctionnent selon les principes de la conduction électrique dans les métaux ferromagnétiques, présentés en 1936 par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui connaît la...) britannique Nevill Mott. Dans ces matériaux, selon la théorie de Mott, les courants électriques sont transportés par deux types d'électrons ayant des spins opposés, qui connaissent une résistance différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une...) lorsqu'ils se déplacent dans un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas...).

"Nous avons trouvé un moyen de dissocier expérimentalement ces courants en électrons spin-up et spin-down", explique le professeur Turchinovich. En utilisant la spectroscopie térahertz ultra-rapide, les chercheurs ont pu compter le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'électrons spin-up et spin-down et mesurer à quel rythme ils ralentissent dans le métal.

Cette première observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique...) de la théorie fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de Mott a également permis aux chercheurs de mieux comprendre la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) moderne des mémoires magnétiques. "Nous avons constaté que les mesures traditionnelles, effectuées à des échelles de temps plus longues, sous-estimaient de façon importante l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) de spin responsable du fonctionnement du capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…. On fait...) magnétique", déclare le professeur Turchinovich.

Cette méthode, qui a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) d'une publication dans Nature Physics, contribue à un domaine entièrement nouveau: la spintronique térahertz. Elle fournit aux scientifiques un moyen simple de tester un grand nombre de composants magnétiques afin de trouver ceux qui seront les plus efficaces.

Les règles de la thermodynamique

Une deuxième ligne de recherche, parmi d'autres, a consisté à étudier comment le graphène conduit l'électricité à des fréquences très élevées, nécessaires à la prochaine génération d'électronique ultra-rapide.

L'équipe de LIGHTER a exclusivement utilisé des moyens optiques pour créer dans le graphène des champs électriques à haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) de type transistor et mesurer directement la réponse électronique. "Lorsque vous appliquez un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces...) au graphène, sa population d'électrons libres, souvent décrite comme une forme de liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), se 'vaporise' et ressemble davantage à un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...), ce qui modifie de façon importante les propriétés conductrices du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une...)", affirme le professeur Turchinovich. "En définitive, la façon dont le graphène conduit l'électricité dépend simplement de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) de son gaz d'électrons. Cela simplifie considérablement la description de l'électronique du graphène: pour l'essentiel, vous devez appliquer certaines lois de conservation de base", ajoute-t-il.

Cette découverte a fait l'objet d'une publication dans Nature Communications le 16 juillet 2015. Le professeur Turchinovich pense que cette nouvelle perspective favorisera le développement de produits. "Les ingénieurs peuvent utiliser notre modèle thermodynamique simple pour prévoir les performances de leurs transistors ou photodétecteurs au graphène et les optimiser", conclut-il.

Au cours des quatre années du projet, les nouvelles connaissances acquises par LIGHTER ont débouché sur la publication de 27 articles. À la fin du projet, les succès obtenus ont contribué à la nomination du professeur Turchinovich comme professeur de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de...) à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Duisbourg et Essen, en Allemagne.

Pour plus d'information voir:
- publication dans Nature Physics
- publication dans Nature Communications

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Source: CORDIS-Europa