Etude du modèle d’Ising avec aimantation

Les chercheurs ont exploré l’évolution des systèmes de spins en interaction, lors de leur transition d’alignements aléatoires à des alignements ordonnés. Grâce à de nouvelles simulations, ils montrent que cette évolution peut être étudiée en mesurant la force changeante du magnétisme du système.

Le modèle d’Ising décrit des systèmes de spins atomiques en interaction qui se détendent d’un état « paramagnétique » – dont les spins pointent dans des directions aléatoires, à un état « ferromagnétique » – dont les spins s’alignent spontanément les uns avec les autres. Jusqu’à présent, la dynamique hors d’équilibre de cette transition a été étudiée en mesurant la croissance de régions, ou « domaines » de spins alignés.

Dans une nouvelle recherche publiée dans Thèmes spéciaux de la revue physique européenne, des chercheurs dirigés par Wolfhard Janke à l’Université de Leipzig, en Allemagne, montrent comment cela peut être fait beaucoup plus facilement en mesurant la force de l’aimantation du système. La découverte de l’équipe pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre les interactions à l’échelle atomique qui sous-tendent de nombreux phénomènes différents dans la nature : des forces électrostatiques aux neurosciences et à l’économie.

Lorsqu’un système évolue d’un état paramagnétique à un état ferromagnétique, il est amené à minimiser son énergie pour atteindre un état stable d’équilibre thermodynamique. Cela se produit par une réduction de la surface des parois de domaine, où la direction d’alignement des spins change brusquement.

Dans le passé, cette évolution était généralement quantifiée en mesurant directement la croissance de la taille des domaines d’un système au fil du temps, ce qui est une tâche techniquement exigeante. Grâce à leurs simulations du modèle d’Ising, l’équipe de Janke a montré que cela peut être fait avec autant de précision en mesurant la force de l’aimantation du système, une quantité facilement mesurable dans les expériences également.

Selon les chercheurs, cette quantité était largement ignorée dans les études précédentes considérant que dans la limite thermodynamique des systèmes infinis l’aimantation s’annule. En revanche, les simulations de l’équipe ont révélé que dans les systèmes finis, la signature de l’échelle de longueur croissante est codée dans l’amplitude de la principale correction d’échelle de taille finie.

Ce résultat s’applique à la fois aux interactions du plus proche voisin entre les spins et aux interactions à longue portée, qui n’ont pas été largement étudiées jusqu’à présent. En conséquence, Janke et ses collègues espèrent maintenant que leur nouvelle approche pourrait conduire à de nouvelles découvertes dans les nombreux domaines de la nature où des interactions de spin à longue portée peuvent être trouvées.