Description
L'une des retombées les plus importantes et les plus prometteuses de la recherche sur les propriétés quantiques de la matière est la spintronique, un domaine consacré au développement de dispositifs électroniques de haute performance et de faible puissance capables d'exploiter l'orientation magnétique induite dans un matériau par l'alignement du spin de ses électrons. Une étude menée par un groupe de chercheurs du Centre de condensation de Bose-Einstein (CBE) de Trente et publiée dans la revue Nature Physics met aujourd'hui en lumière certains mécanismes quantiques qui sous-tendent ce comportement magnétique et leur évolution dans le temps.
Ce résultat a été obtenu grâce à la collaboration entre l'Institut national d'optique du Conseil national de la recherche (CNR-Ino), le département de physique de l'université de Trente et l'Institut de physique fondamentale et appliquée de Trente de l'Institut national de physique nucléaire (Tifpa-Infn), dans le cadre de l'initiative Quantum at Trento (Q@TN), les chercheurs ont refroidi un gaz composé d'atomes de sodium à des températures proches du zéro absolu, le plaçant dans un état quantique capable de simuler l'interface entre deux matériaux magnétiques dont les propriétés sont caractérisées par une orientation différente du spin, une situation analogue à celle que l'on trouve dans les dispositifs de mémoire, les disques durs, utilisés aujourd'hui.
Le refroidissement du gaz à une température proche du zéro absolu - température à laquelle les atomes cessent de se comporter comme des particules individuelles et forment un système quantique macroscopique unique appelé condensat de Bose-Einstein - permet de surmonter les limitations liées à la nature des gaz à température ambiante. "Grâce à l'utilisation de faisceaux laser et de micro-ondes, les atomes peuvent être manipulés avec une extrême précision et préparés dans un état quantique particulier qui peut imiter l'interface entre deux matériaux magnétiques différents. D'un côté de l'interface, les spins sont tous alignés le long d'une direction intrinsèque du matériau, de l'autre côté ils tournent autour de la direction du champ appliqué", expliquent Gabriele Ferrari (Unitn) et Alessio Recati (CNR-Ino).
Dans les matériaux magnétiques standard, le spin des électrons s'oriente généralement dans la direction du champ magnétique appliqué, tandis que dans les matériaux caractérisés par une forte anisotropie magnétique, il s'oriente rapidement dans une direction particulière, même en s'opposant à la présence d'un champ magnétique externe. Les deux types de matériaux peuvent être placés côte à côte, créant une interface qui représente une discontinuité claire entre les deux comportements différents, et le système atteint rapidement une configuration d'équilibre. Dans l'échantillon réalisé dans le laboratoire du Trentin, en vertu de la nature superfluide intrinsèque et des liaisons interatomiques particulières qui caractérisent les condensats de Bose-Einstein, la relaxation vers l'équilibre se déroule sur une période plus longue, ce qui permet d'observer directement son évolution dans le temps.
"Cela a permis d'identifier un nouveau type d'ondes magnétiques générées par la torsion de spin, des ondes qui se propagent sans friction à l'intérieur du nuage d'atomes, détruisant l'interface à partir de laquelle elles ont été générées", expliquent Giacomo Lamporesi et Alessandro Zenesini du CNR-Ino. Cette observation, fruit d'une synergie entre des projets financés par l'Union européenne, l'Infn et la province autonome de Trente, couronne des années de recherche du laboratoire du Centre BEC de Trente dans le domaine des systèmes hors équilibre et ouvre la voie à de futures recherches sur la simulation de matériaux magnétiques dans des conditions jamais observées auparavant, utiles pour comprendre les phénomènes d'avant-garde en spintronique. Grâce à l'universalité de ces mécanismes, qui dépassent le monde des matériaux magnétiques, ce résultat représente également un premier pas vers la simulation de phénomènes habituellement étudiés en physique subnucléaire et en astrophysique.