L’atome de cobalt (rouge) possède un moment magnétique (« spin », flèche bleue ), qui est constamment réorienté (de la rotation vers le bas) par un champ magnétique externe. En conséquence, l’atome magnétique excite les électrons de la surface du cuivre (gris), les faisant osciller (créant des ondulations). Cette révélation du pôle d’excellence Würzburg-Dresde ct.qmat a été rendue possible grâce à l’inclusion par les physiciens d’une pointe de fer (jaune) sur leur microscope à effet tunnel. Crédit : Juba Bouaziz / Ulrich Puhlfürst
Les chercheurs ont dévoilé l’effet spinaron, remettant en question les croyances traditionnelles sur les interactions magnétiques dans les matériaux quantiques et remodelant potentiellement notre compréhension de la physique quantique théorique.
Des conditions extrêmes règnent dans le laboratoire de Würzburg des physiciens expérimentaux, le professeur Matthias Bode et le Dr Artem Odobesko. Affiliés au pôle d’excellence ct.qmat, une collaboration entre JMU Würzburg et TU Dresden, ces visionnaires posent de nouveaux jalons dans la recherche quantique. Leur dernière tentative dévoile l’effet spinaron.
Ils ont stratégiquement placé des atomes de cobalt individuels sur une surface de cuivre, abaissant la température à 1,4 Kelvin (–271,75° Celsius), puis les a soumis à un puissant champ magnétique externe. « L’aimant que nous utilisons coûte un demi-million d’euros. Ce n’est pas quelque chose qui est largement disponible », explique Bode. Leur analyse ultérieure a donné lieu à des révélations inattendues.
Petit atome, effet massif
« Nous pouvons voir les atomes de cobalt individuels en utilisant un microscope à effet tunnel. Chaque atome a un spin, qui peut être considéré comme un pôle nord ou sud magnétique. Le mesurer était crucial pour nos découvertes surprenantes », explique Bode. « Nous avons déposé en phase vapeur un atome de cobalt magnétique sur une base de cuivre non magnétique, provoquant ainsi une interaction de l’atome avec les électrons du cuivre. La recherche de tels effets de corrélation au sein des matériaux quantiques est au cœur de la mission de ct.qmat – une quête qui promet des innovations technologiques transformatrices à l’avenir.
Comme un rugby dans une piscine à balles
Depuis les années 1960, les physiciens du solide supposent que l’interaction entre le cobalt et le cuivre peut s’expliquer par l’effet Kondo, les différentes orientations magnétiques de l’atome de cobalt et des électrons du cuivre s’annulant. Cela conduit à un état dans lequel les électrons de cuivre sont liés à l’atome de cobalt, formant ce qu’on appelle un « nuage Kondo ». Cependant, Bode et son équipe ont approfondi leurs recherches dans leur laboratoire. Et ils ont validé une théorie alternative proposée en 2020 par le théoricien Samir Lounis de l’institut de recherche Forschungszentrum Jülich.
En exploitant la puissance d’un champ magnétique externe intense et en utilisant une pointe de fer dans le microscope à effet tunnel, les physiciens de Würzburg ont réussi à déterminer l’orientation magnétique du spin du cobalt. Cette rotation n’est pas rigide, mais alterne en permanence, c’est-à-dire de « spin-up » (positif) à « spin-down » (négatif), et vice versa. Cette commutation excite les électrons du cuivre, un phénomène appelé effet spinaron.
Bode l’explique avec une analogie frappante : « En raison du changement constant dans l’alignement des spins, l’état de l’atome de cobalt peut être comparé à celui d’un ballon de rugby. Lorsqu’un ballon de rugby tourne continuellement dans une piscine à balles, les ballons environnants sont déplacés de manière ondulatoire. C’est précisément ce que nous avons observé : les électrons de cuivre ont commencé à osciller en réponse et se sont liés à l’atome de cobalt. Bode poursuit : « Cette combinaison de l’aimantation changeante de l’atome de cobalt et des électrons de cuivre qui y sont liés est le spinaron prédit par notre collègue de Jülich. »
La première validation expérimentale de l’effet spinaron, réalisée par l’équipe de Würzburg, jette le doute sur l’effet Kondo. Jusqu’à présent, il était considéré comme le modèle universel pour expliquer l’interaction entre les atomes magnétiques et les électrons dans les matériaux quantiques comme le duo cobalt-cuivre. Bode plaisante : « Il est temps d’inscrire un astérisque significatif dans ces manuels de physique ! »
Spinaron et spintronique
Dans l’effet spinaron, l’atome de cobalt reste en perpétuel mouvement, conservant son essence magnétique malgré son interaction avec les électrons. Dans l’effet Kondo, en revanche, le moment magnétique est neutralisé par ses interactions électroniques. « Notre découverte est importante pour comprendre la physique des moments magnétiques sur les surfaces métalliques », déclare Bode. À l’avenir, de tels phénomènes pourraient ouvrir la voie au codage et au transport magnétiques des informations dans de nouveaux types d’appareils électroniques. Baptisée « spintronique », cette technologie pourrait rendre l’informatique plus écologique et plus économe en énergie.
Cependant, Bode tempère les attentes en parlant du caractère pratique de cette combinaison cobalt-cuivre. « Nous avons essentiellement manipulé des atomes individuels à des températures ultra-basses sur une surface immaculée sous ultra-vide. C’est irréalisable pour les téléphones portables. Bien que l’effet de corrélation constitue un moment décisif dans la recherche fondamentale visant à comprendre le comportement de la matière, je ne peux pas en tirer un véritable changement.
Actuellement, Artem Odobesko, physicien quantique de Würzburg, et Samir Lounis, théoricien de Jülich, se concentrent sur une analyse à grande échelle des nombreuses publications décrivant l’effet Kondo dans diverses combinaisons de matériaux depuis les années 1960. « Nous pensons que beaucoup pourraient en réalité décrire l’effet spinaron », déclare Odobesko, ajoutant: « Si c’est le cas, nous réécrirons l’histoire de la physique quantique théorique. »
Pôle d’excellence ct.qmat
Le pôle d’excellence ct.qmat – Complexité et topologie dans la matière quantique est dirigé conjointement depuis 2019 par la Julius-Maximilians-Universität Würzburg et la Technische Universität Dresden. Près de 400 scientifiques de plus de trente pays et quatre continents étudient des matériaux quantiques topologiques qui révèlent des découvertes surprenantes. phénomènes dans des conditions extrêmes telles que des températures ultra-basses, des pressions élevées ou des champs magnétiques puissants. ct.qmat est financé par la stratégie d’excellence allemande du gouvernement fédéral et des gouvernements des Länder et est le seul pôle d’excellence en Allemagne basé dans deux Länder différents.
