Une équipe multi-institutionnelle explorant la physique du comportement collectif a développé et mesuré un réseau nanomagnétique modèle dans lequel le comportement peut être mieux compris comme celui d’un ensemble de cordes agitées. Les cordes, qui sont composées de points connectés de haute énergie parmi le réseau, peuvent s’étirer et se rétrécir, mais aussi se reconnecter. Ce qui rend ces chaînes spéciales, c’est qu’elles sont limitées à certains points de terminaison et doivent se connecter à ces points de terminaison de manière particulière.
Ces contraintes sur le comportement des cordes sont un exemple de ce que les physiciens appellent le comportement topologique, qui est lié à un large éventail de sujets allant de la forme d’un beignet à la façon dont les électrons se déplacent à travers certains semi-conducteurs de pointe.
« La physique topologique a suscité beaucoup d’intérêt récemment, principalement dans le domaine quantique », a déclaré Cristiano Nisoli, chercheur au Laboratoire national de Los Alamos et co-auteur des travaux publiés dans Science. « Nous avions déjà démontré à quelques reprises, théoriquement et expérimentalement, que des caractéristiques autrefois considérées comme intrinsèquement quantiques peuvent être reproduites par des systèmes de nanoaimants classiques en interaction. »
Selon le co-auteur Peter Schiffer, professeur de physique appliquée à Yale, « Ce système est un exemple dans lequel des caractéristiques topologiques apparaissent dans un système matériel purement classique, ce qui les rend plus faciles à étudier et à caractériser. »
Glace de Santa Fe inspirée du sol en brique du Nouveau-Mexique
Le travail s’inscrit dans le cadre d’une collaboration continue entre le groupe de Nisoli dans la division théorique de Los Alamos et le travail expérimental de Schiffer et de son équipe à l’Université de Yale. À partir de 2006, avec d’autres, les deux avaient introduit l’idée de la fabrication ascendante de structures de « glace de spin artificielle » constituées de nano-îlots magnétiques en interaction. L’équipe de cette étude comprenait également les chercheurs de Yale Xiaoyu Zhang, Grant Fitez, Shayaan Subzwari, Ioan-Augustin Chioar, Hilal Saglam et Nicholas Bingham (maintenant à l’Université du Maine), ainsi que Justin Ramberger et Chris Leighton à l’Université du Minnesota. .
« Au départ, nous nous sommes concentrés sur des géométries et des modèles simples, imitant parfois des matériaux naturels existants », a déclaré Nisoli. « Mais depuis le début, l’idée était plus ambitieuse : au lieu de trouver des phénomènes exotiques ou utiles par hasard dans les matériaux naturels, nous avons cherché à en produire des artificiels dans lesquels de nouveaux phénomènes pourraient être conçus et contrôlés de manière hautement contrôlable, peut-être en vue de l’avenir. fonctionnalités, telles que le stockage en mémoire ou le calcul. »
Les équipes ont développé – d’abord théoriquement à Los Alamos, puis expérimentalement à Yale et à l’installation Advanced Light Source du Berkeley National Laboratory – une géométrie appelée glace de spin de Santa Fe, inspirée des formes d’un sol en brique à Santa Fe, au Nouveau-Mexique. « Le fait intéressant à propos de la glace de spin de Santa Fe est que bien qu’elle soit constituée d’un groupe d’aimants binaires, elle peut également être complètement décrite comme un ensemble de cordes continues », a noté Nisoli.
Dans un travail précédent, les auteurs ont fabriqué la glace de spin de Santa Fe et ont démontré l’existence de ces cordes et leurs propriétés. Dans le présent travail, ils ont étudié le mouvement des cordes. L’utilisation de la caractérisation par microscopie électronique à photoémission effectuée à Berkeley a été particulièrement précieuse dans la mesure où « elle fournit efficacement des clips vidéo des nanoaimants dans l’espace et dans le temps, afin que nous puissions les regarder alors qu’ils commutent spontanément leurs pôles nord et sud », a déclaré Schiffer de Yale. « Les nano-îlots sont fabriqués pour être très minces, à peine quelques nanomètres, de sorte qu’ils retournent leurs pôles simplement parce qu’ils sont à température finie, dans un phénomène bien connu appelé superparamagnétisme. »
À des températures élevées, les chercheurs ont observé la fusion et la reconnexion des chaînes, entraînant la transition du système entre des configurations topologiquement distinctes. Mais en dessous d’une température de croisement, le mouvement des cordes était limité à de simples changements de longueur et de forme. Par conséquent, les travaux montrent qu’il existe un croisement dynamique : en dessous d’une certaine température, ces mouvements topologiquement non triviaux sont supprimés, et seuls les topologiquement triviaux (agitation, extension et contraction) restent.
Le crossover cinétique enfreint les règles
« Ici, nous avons montré un système réel, fabriqué artificiellement, qui démontre expérimentalement un croisement cinétique qui enfreint la règle de l’aléatoire, ou ergodicité, car en dessous d’une certaine température il supprime les voies cinétiques topologiquement non triviales, et reste confiné dans une classe topologique », a déclaré Nisoli. « Grâce aux mesures que nous avons pu effectuer, nous avons pu littéralement regarder ces cordes à l’échelle nanométrique effectuer leurs mouvements et effectuer une transition de comportement inattendue. »
« Ce niveau de perspicacité est inhabituel pour n’importe quel système, et il prépare le terrain pour d’autres études topologiques à l’avenir », a déclaré Schiffer.
Plus d’information:
Xiaoyu Zhang et al, Crossover cinétique topologique dans un réseau de nanoaimants, Science (2023). DOI : 10.1126/science.add6575