Les chercheurs du MIT et de Harvard ont étudié comment les unités élémentaires de magnétisme, appelées spins (les flèches noires), se déplacent et interagissent avec d’autres spins, dans une chaîne d’atomes uniques (les sphères colorées). L’arrière-plan montre une image réelle des spins, révélant une modulation périodique à contraste élevé des atomes bleus (spin up). Crédit: Gracieuseté des chercheurs

Les résultats peuvent aider les chercheurs à concevoir des dispositifs «spintroniques» et de nouveaux matériaux magnétiques.

Une nouvelle étude éclaire une chorégraphie surprenante parmi les atomes en rotation. Dans un article paru dans le journal La nature, chercheurs de AVEC et l’Université de Harvard révèlent comment les forces magnétiques à l’échelle quantique et atomique affectent la façon dont les atomes orientent leurs spins.

Dans des expériences avec des atomes de lithium ultra-froids, les chercheurs ont observé différentes façons dont les spins des atomes évoluent. Comme des ballerines tippy retournant à la verticale, les atomes en rotation reviennent à une orientation d’équilibre d’une manière qui dépend des forces magnétiques entre les atomes individuels. Par exemple, les atomes peuvent tourner en équilibre de manière extrêmement rapide et «balistique» ou selon un schéma plus lent et plus diffus.

Les chercheurs ont découvert que ces comportements, qui n’avaient pas été observés jusqu’à présent, pouvaient être décrits mathématiquement par le modèle Heisenberg, un ensemble d’équations couramment utilisées pour prédire le comportement magnétique. Leurs résultats abordent la nature fondamentale du magnétisme, révélant une diversité de comportement dans l’un des matériaux magnétiques les plus simples.

Cette meilleure compréhension du magnétisme peut aider les ingénieurs à concevoir des dispositifs «spintroniques», qui transmettent, traitent et stockent des informations en utilisant le spin des particules quantiques plutôt que le flux d’électrons.

«En étudiant l’un des matériaux magnétiques les plus simples, nous avons avancé la compréhension du magnétisme», explique Wolfgang Ketterle, professeur de physique John D. Arthur au MIT et chef de l’équipe du MIT. «Lorsque vous trouvez de nouveaux phénomènes dans l’un des modèles les plus simples de la physique pour le magnétisme, vous avez la possibilité de le décrire et de le comprendre pleinement. C’est ce qui me fait sortir du lit le matin et m’excite.

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Les co-auteurs de Ketterle sont l’étudiant diplômé du MIT et auteur principal Paul Niklas Jepsen, ainsi que Jesse-Amato Grill, Ivana Dimitrova, tous deux post-doctorants du MIT, Wen Wei Ho, post-doctorant à l’Université Harvard et à l’Université Stanford, et Eugene Demler, professeur de physique. à Harvard. Tous sont des chercheurs du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. L’équipe du MIT est affiliée au Département de physique et au laboratoire de recherche en électronique de l’Institut.

Chaînes de spins

Le spin quantique est considéré comme l’unité microscopique du magnétisme. À l’échelle quantique, les atomes peuvent tourner dans le sens horaire ou antihoraire, ce qui leur donne une orientation, comme une aiguille de boussole. Dans les matériaux magnétiques, le spin de nombreux atomes peut montrer une variété de phénomènes, y compris les états d’équilibre, où atome les spins sont alignés, et le comportement dynamique, où les spins à travers de nombreux atomes ressemblent à un motif ondulatoire.

C’est ce dernier modèle qui a été étudié par les chercheurs. La dynamique du motif de spin ondulatoire est très sensible aux forces magnétiques entre les atomes. Le motif ondulé s’est estompé beaucoup plus rapidement pour les forces magnétiques isotropes que pour les forces anisotropes. (Les forces isotropes ne dépendent pas de la façon dont tous les spins sont orientés dans l’espace).

Le groupe de Ketterle avait pour objectif d’étudier ce phénomène avec une expérience dans laquelle ils ont d’abord utilisé des techniques de refroidissement laser établies pour ramener les atomes de lithium à environ 50 nanokelvin – plus de 10 millions de fois plus froids que l’espace interstellaire.

À de telles températures ultra-froides, les atomes sont gelés jusqu’à l’arrêt, de sorte que les chercheurs peuvent voir en détail tous les effets magnétiques qui seraient autrement masqués par le mouvement thermique des atomes. Les chercheurs ont ensuite utilisé un système de lasers pour piéger et disposer plusieurs chaînes de 40 atomes chacune, comme des perles sur une chaîne. Au total, ils ont généré un réseau d’environ 1 000 chaînes, comprenant environ 40 000 atomes.

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«Vous pouvez considérer les lasers comme des pincettes qui saisissent les atomes, et s’ils sont plus chauds, ils s’échapperaient», explique Jepsen.

Ils ont ensuite appliqué un motif d’ondes radio et une force magnétique pulsée à l’ensemble du réseau, ce qui a incité chaque atome le long de la corde à incliner sa rotation dans un motif hélicoïdal (ou semblable à une onde). Les motifs ondulatoires de ces chaînes correspondent ensemble à une modulation de densité périodique des atomes «spin up» qui forme un motif de rayures, que les chercheurs pourraient imager sur un détecteur. Ils ont ensuite observé comment les motifs de rayures disparaissaient à mesure que les spins individuels des atomes approchaient de leur état d’équilibre.

Ketterle compare l’expérience à pincer la corde d’une guitare. Si les chercheurs regardaient les spins des atomes à l’équilibre, cela ne leur en dirait pas beaucoup sur les forces magnétiques entre les atomes, tout comme une corde de guitare au repos ne révélerait pas grand-chose sur ses propriétés physiques. En pinçant la corde, en la sortant de son équilibre et en voyant comment elle vibre et revient finalement à son état d’origine, on peut apprendre quelque chose de fondamental sur les propriétés physiques de la corde.

«Ce que nous faisons ici, c’est que nous sommes en quelque sorte en train de cueillir la chaîne de spins. Nous mettons ce modèle en hélice, puis observons comment ce modèle se comporte en fonction du temps », explique Ketterle. «Cela nous permet de voir l’effet des différentes forces magnétiques entre les spins.»

Balistique et encre

Dans leur expérience, les chercheurs ont modifié la force de la force magnétique pulsée qu’ils appliquaient, pour faire varier la largeur des bandes dans les modèles de spin atomique. Ils ont mesuré à quelle vitesse et de quelle manière les motifs se sont estompés. Selon la nature des forces magnétiques entre les atomes, ils ont observé un comportement remarquablement différent dans la façon dont les spins quantiques revenaient à l’équilibre.

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Ils ont découvert une transition entre le comportement balistique, où les spins revenaient rapidement dans un état d’équilibre, et le comportement de diffusion, où les spins se propagent de manière plus erratique, et le motif de rayures global se propageait lentement vers l’équilibre, comme une goutte d’encre se dissolvant lentement dans l’eau.

Certains de ces comportements ont été théoriquement prédits, mais jamais observés en détail jusqu’à présent. Certains autres résultats étaient complètement inattendus. De plus, les chercheurs ont trouvé que leurs observations correspondaient mathématiquement à ce qu’ils avaient calculé avec le modèle Heisenberg pour leurs paramètres expérimentaux. Ils ont fait équipe avec des théoriciens de Harvard, qui ont effectué des calculs de pointe de la dynamique de spin.

«Il était intéressant de voir qu’il y avait des propriétés qui étaient faciles à mesurer, mais difficiles à calculer, et que d’autres propriétés pouvaient être calculées, mais pas mesurées», dit Ho.

En plus de faire progresser la compréhension du magnétisme à un niveau fondamental, les résultats de l’équipe peuvent être utilisés pour explorer les propriétés de nouveaux matériaux, comme une sorte de simulateur quantique. Une telle plate-forme pourrait fonctionner comme un ordinateur quantique à usage spécial qui calcule le comportement des matériaux, d’une manière qui dépasse les capacités des ordinateurs les plus puissants d’aujourd’hui.

«Avec toute l’enthousiasme actuel suscité par la promesse de la science de l’information quantique de résoudre des problèmes pratiques à l’avenir, il est formidable de voir un travail comme celui-ci se concrétiser aujourd’hui», déclare John Gillaspy, responsable de programme à la Division de physique du National Science Foundation, un bailleur de fonds de la recherche.

Référence: «Transport de spin dans un modèle Heisenberg accordable réalisé avec des atomes ultra-froids» par Paul Niklas Jepsen, Jesse Amato-Grill, Ivana Dimitrova, Wen Wei Ho, Eugene Demler et Wolfgang Ketterle, 16 décembre 2020, La nature.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3033-y

La recherche a également été soutenue par le ministère de la Défense et la Fondation Gordon et Betty Moore.