En 1966, le physicien japonais Yosuke Nagaoka a eu l'idée d'un nouveau mécanisme inhabituel qui pourrait provoquer le ferromagnétisme – le phénomène qui entraîne les aimants.
Son idée avait un sens en théorie, mais elle n'a jamais été observée dans les matériaux naturels. Nous avons maintenant les premiers signes que cela se produit dans le laboratoire.
Une fois de plus, nous devons la physique quantique pour cette découverte. Les scientifiques ont pu créer ce qu'ils appellent les “ signatures expérimentales '' du ferromagnétisme de Nagaoka (comme on l'a appelé) dans un système électrique quantique étroitement contrôlé et fait sur mesure.
Bien qu'il soit trop tôt pour mettre en pratique cette nouvelle configuration de magnétisme, la découverte suggère que la prédiction de Nagaoki sur 54 ans est correcte; et cela pourrait avoir un impact important sur le développement des systèmes quantiques du futur.
«Les résultats étaient limpides: nous avons démontré le ferromagnétisme», déclare le physicien quantique Lieven Wandersiepen de l'Université de technologie de Delft aux Pays-Bas.
«Lorsque nous avons commencé à travailler sur ce projet, je n'étais pas sûr que l'expérience soit possible, car la physique est si différente de tout ce que nous avons jamais étudié dans notre laboratoire.
La façon la plus simple d'imaginer le ferromagnétisme est avec un jeu de puzzle pour enfants dans lequel vous insérez des blocs coulissants dans un dessin. Dans cette analogie, chaque bloc est un électron avec son propre spin ou alignement.
Le ferromagnétisme de Nagaoke est en forme de puzzle, avec toutes les rotations alignées vers la droite. (Scixel de Groot pour QuTech)
Lorsque les électrons s'alignent dans une direction, un champ magnétique est créé. Nagaoka a décrit une sorte de version idéale du ferromagnétisme itinérant, dans laquelle les électrons peuvent se déplacer librement et le matériau reste magnétique.
Dans la version Nagaoki du puzzle, tous les électrons sont alignés dans la même direction, ce qui signifie que même si les pièces du puzzle sont mélangées, le magnétisme du système dans son ensemble reste constant.
Étant donné que le brassage d'électrons (ou de mosaïques) n'est pas pertinent pour la configuration globale, le système nécessite moins d'énergie.
Pour montrer le ferromagnétisme de Nagaoka en action, les scientifiques ont en fait construit un réseau bidimensionnel deux par deux de points quantiques, de minuscules particules semi-conductrices qui pourraient potentiellement former des ordinateurs quantiques de nouvelle génération.
L'ensemble du système a été refroidi à presque zéro absolu (-272,99 ° C ou -459,382 ° F), puis trois électrons ont été piégés à l'intérieur (laissant un «puzzle block» vide). L'étape suivante consistait à démontrer que la grille se comporte comme un aimant, comme suggéré par Nagaoka.
«Nous avons utilisé un capteur électrique très sensible qui pourrait décoder l'orientation du spin des électrons et le convertir en un signal électrique que nous pourrions mesurer en laboratoire», explique le physicien quantique Udittendu Muhopadhyay de l'Université de technologie de Delft.
Le capteur a montré que le système de points quantiques ultra-petits et supersensibles alignait effectivement les spins d'électrons, comme prévu, préférant naturellement l'état d'énergie le plus bas.
Décrit précédemment comme l'un des problèmes les plus difficiles en physique, il s'agit d'un pas en avant significatif dans notre compréhension du magnétisme et de la mécanique quantique, montrant que l'idée de longue date du fonctionnement du ferromagnétisme à l'échelle nanométrique est en effet vraie.
À l'avenir, la découverte devrait aider à développer nos propres ordinateurs quantiques, des appareils capables d'effectuer des calculs au-delà de notre technologie actuelle.
«Ces systèmes vous permettent d'étudier des problèmes qui sont trop complexes pour être résolus avec le supercalculateur le plus avancé d'aujourd'hui, tels que les processus chimiques complexes», déclare Vanderspen.
“Des expériences pilotes telles que la mise en œuvre du ferromagnétisme de Nagaoke fournissent des lignes directrices importantes pour le développement des ordinateurs quantiques et des simulateurs du futur.”
L'étude a été publiée dans la revue Nature.
Sources: Photo: Sofía Navarrete et María Mondragón De la Sierra pour QuTech
