Vers de nouveaux métamatériaux magnétiques
Publié par Adrien le 18/01/2019 à 08:00
Source: CNRS INC
Des chercheurs de l'Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine) et de l'Université de San Diego ont réussi à concevoir des réseaux de nano-aimants à quatre orientations de spin possibles. Les premiers résultats expérimentaux laissent entrevoir le développement de nouvelles générations de composants électroniques. Ces travaux ont été publiés dans Nature Materials le 29 octobre 2018.


Vue artistique du système de spins artificiels réalisant le modèle Potts à quatre états.
©D. Lacour.
La frustration magnétique est un phénomène recherché car à l'origine de comportements exotiques dont on peut tirer de grandes avancées scientifiques. Avec l'objectif de provoquer ces comportements atypiques, des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de San Diego ont fabriqué un système de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique....) artificiel magnétique: des réseaux carrés de nano-aimants de forme également carrée de quelques dizaines de nanomètres. En atteignant un haut degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de perfection dans l'arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) cristallin des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué...) dans des films minces de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique...) de 2 nm d'épaisseur, ils ont aussi réussi à obtenir des aimants qui prennent potentiellement quatre orientations de spins différents (modèle de Potts à quatre états).

Jusqu'à présent, ces systèmes étaient limités à des spins à deux états (modèle d'Ising à deux états). Ils ont ainsi créé un assemblage de nano-aimants qui interagissent entre eux sans nécessairement pouvoir satisfaire toutes les interactions qu'ils ont avec leurs voisins, synonyme de "frustration". Les chercheurs ont ainsi conçu plusieurs réseaux, à partir d'un même pavage (Un pavage (ou dallage) est une partition d'un espace (généralement un espace euclidien comme le plan ou l'espace tridimensionnel) par un ensemble fini d'éléments appelé tuiles (plus précisément, ce sont des compacts d'intérieur non...) carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure. Un carré est à la fois un...), mais tournés progressivement de 0 à 45°. Observant l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) magnétique de chacun des nano-aimants dans ces différentes configurations, ils ont mis en évidence des organisations collectives qui changent complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant...) en fonction des réseaux créés: organisations parallèles (ferromagnétique), anti-parallèles (antiferromagnétique colinéaire) ou en boucles (glace de spin carrée).

Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation de nouveaux métamatériaux magnétiques dont les propriétés peuvent être ajustées par de simples variations géométriques. A plus long terme, la fabrication d'une nouvelle génération de composants électroniques dédiés au calcul bio-inspiré pourrait même être envisagée. Inspirés du fonctionnement du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la...) ces dispositifs effectueraient des opérations complexes, comme de la reconnaissance de forme, à moindre coût énergétique.

Références
A tunable magnetic metamaterial based on the dipolar four-state Potts model
D. Louis, D. Lacour, M. Hehn, V. Lomakin, T. Hauet and F. Montaigne, D. Louis et al., Nature Materials 2018.
https://www.nature.com/articles/s41563-018-0199-x

Contacts chercheurs
François Montaigne, enseignant-chercheur à l'Institut Jean Lamour (CNRS / Université de Lorraine)
Daniel Lacour, UMR7198 Institut Jean Lamour (IJL)
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