Une boussole qui indique l'ouest

Villigen, 29.03.2019 - Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI et de l'ETH Zurich ont découvert un phénomène magnétique bien particulier. Il se joue à l'échelle du nanomètre et rend possible d'assembler des aimants en configurations inhabituelles. Il permet probablement la construction de nouveaux commutateurs et de mémoires informatiques pour améliorer la performance des microprocesseurs. Les résultats de ces travaux ont été publiés maintenant dans la revue Science.

Ce qui caractérise les aimants, c'est qu'ils ont un pôle nord et un pôle sud. Si l'on place deux aimants communs côte à côte, les pôles opposés s'attirent et les pôles identiques se repoussent. Voilà pourquoi, la direction qu'adoptent les aiguilles magnétiques des boussoles dans le champ magnétique terrestre nous permet de déterminer les points cardinaux nord et sud, et d'en déduire l'est et l'ouest. Cette règle est valable dans le monde tel que nous en faisons l'expérience chaque jour avec nos sens. Mais lorsqu'on quitte l'univers macroscopique pour plonger dans les profondeurs de dimensions beaucoup plus petites, la donne change. Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI et de l'ETH Zurich viennent de découvrir une interaction magnétique très particulière qui se joue au niveau de structures nanoscopiques composées de quelques couches d'atomes.

Les atomes agissent comme de minuscules aiguilles de boussole et déploient leur effet sur de toutes petites distances de l'ordre du nanomètre, c'est-à-dire de l'ordre du millionième de millimètre. De ce fait, les scientifiques parlent aussi de nanoaimants.

Le phénomène que les chercheurs du PSI ont à présent réussi à observer est basé sur une interaction que deux physiciens, Igor Dzyaloshinskii et Toru Mariya, avaient prédite il y a plus de 60 ans. C'est de là que nous sommes partis, raconte Zhaochu Luo, physicien au PSI et à l'ETH Zurich et premier auteur de l'étude.

Couplage d'atomes nord-ouest et sud-est

Dans le cadre de cette interaction, les aiguilles de boussole des atomes n'indiquent pas seulement la direction nord-sud, mais aussi la direction est-ouest. La direction qu'indiquent ces aiguilles dépend de l'orientation qu'adoptent les atomes qui les environnent, poursuit Zhaochu Luo. Quand par exemple un groupe d'atomes indique le nord, le groupe voisin indique toujours l'ouest. Et quand un groupe d'atomes indique le sud, les atomes voisins indiquent l'est.

Ces directions peuvent être inversées par application de champs magnétiques ou de courants électriques, c'est-à-dire du nord vers le sud et inversement. Les groupes d'atomes voisins se réorientent en conséquence: soit de l'ouest vers l'est, soit de l'est vers l'ouest. Les chercheurs ont découvert le couplage d'orientation nord-ouest et sud-est en utilisant une couche d'atomes de cobalt de seulement 1,6 nanomètres d'épaisseur, prise en sandwich entre une couche de platine et une couche d'oxyde d'aluminium. A elle seule, la fabrication de cette superposition spéciale nécessaire à nos expériences a pris environ six mois, détaille Zhaochu Luo, qui travaille dans le groupe de recherche Systèmes mésoscopiques de Laura Heyderman au PSI, également professeur à l'ETH Zurich.

Ce qu'il y a d'inhabituel, c'est que cette interaction se joue de manière latérale, autrement dit sur les côtés dans un seul plan. Jusque-là, en effet, les seuls couplages entre atomes qui avaient pu être constatés étaient verticaux: ils survenaient donc dans des groupes d'atomes superposés.

Le phénomène observé conjointement par des chercheurs du PSI et de l'ETH Zurich permet de développer des réseaux magnétiques planaires avec lesquels il est possible de fabriquer, entre autres, ce qu'on appelle des antiferroaimants synthétiques. Dans ces antiferroaimants, les groupes d'atomes pointent à intervalles réguliers soit vers le nord, soit vers le sud. Or comme le nombre de nanoaimants pointant dans la direction opposée est à peu près identique, au total, ils se neutralisent mutuellement. C'est pourquoi, au premier abord, les antiferroaimants n'ont pas l'air d'être des aimants: ils n'adhèrent pas à la porte du réfrigérateur, par exemple.

Les atomes voisins, qui pointent soit vers l'ouest ou vers l'est, fonctionnent comme des écarteurs entre les aimants qui pointent vers le nord ou vers le sud, et dont la taille ne dépasse pas quelques nanomètres. Ce phénomène rend possible la construction de nouveaux commutateurs et de mémoires informatiques plus efficaces et dont susceptibles d'améliorer la performance des microprocesseurs.

Des portes logiques pour ordinateurs

Les différents nanoaimants qui pointent vers le nord ou vers le sud se prêtent à la construction de ce qu'on appelle des portes logiques. Une porte logique est un composant dans un ordinateur et fonctionne comme une espèce d'interrupteur. Les signaux entrent par ces portes avant d'être traités en signaux sortants. Un ordinateur abrite un grand nombre de portes logiques, qui sont mises en réseau pour réaliser des opérations. Or pour construire un composant informatique de ce genre, il est possible de recourir à des nanoaimants qui indiquent le nord ou le sud. Ces composants sont en effet analogues aux processeurs et transistors conventionnels qui traitent les signaux sous forme binaire, c'est-à-dire qui interprètent l'ensemble des signaux sous forme de 0 ou de 1. Des nanoaimants qui pointent vers le nord ou vers le sud sont capables de le faire, eux aussi, et donc de rendre les microprocesseurs plus compacts et plus efficaces.

Selon Pietro Gambardella, qui a dirigé cette étude avec Laura Heyderman, ces travaux offrent une plateforme pour concevoir des réseaux de nanoaimants et obtenir une commande entièrement électrique de portes logiques planaires et de dispositifs de stockage, comme le relèvent maintenant les chercheurs dans la revue scientifique Science.

Les chercheurs ont obtenu leurs résultats au laboratoire et à la Source de Lumière Suisse SLS du PSI.

Texte: Paul Scherrer Institut/Sebastian Jutzi

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 390 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

Publication originale

Chirally coupled nanomagnets
Z. Luo, T. Phuong Dao, A. Hrabec, J. Vijayakumar, A. Kleibert, M. Baumgartner, E. Kirk, J. Cui, T. Savchenko, G. Krishnaswamy, L. J. Heyderman, and P. Gambardella
Science 29 mars 2019
DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.aau7913

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