Pour la première fois, des scientifiques découvrent des modèles fractals dans un matériau quantique

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Des minuscules flocons de neige à la fourche dentelée d’un éclair, il n’est pas difficile de trouver des exemples de fractales dans le monde naturel. On peut donc s’étonner que, jusqu’à présent, il reste encore des endroits où l’on n’a jamais vu ces motifs géométriques qui se répètent à l’infini.

 

Mais les physiciens du MIT ont maintenant fourni le premier exemple connu de disposition fractale dans un matériau quantique.

Les motifs ont été observés dans une distribution inattendue d’unités magnétiques appelées «domaines», qui se développent dans un composé appelé oxyde de néodyme et de nickel – un métal des terres rares aux propriétés extraordinaires.

Une meilleure compréhension de ces domaines et de leurs caractéristiques pourrait déboucher sur de nouvelles façons de stocker et de protéger l’information numérique.

( Note ExoPortail : Ainsi que mieux comprendre certaines des caractéristiques de l’univers )

Et c’est plutôt intéressant, parce que l’oxyde de néodyme et de nickel, ou NdNiO3, est une substance étrange.

Sortez un morceau de votre poche et zappez-le avec un choc électrique, et il le conduira assez facilement. Plongez-le dans de l’azote liquide pour qu’il tombe en dessous d’une température critique d’environ moins 123 degrés Celsius (moins 189 Fahrenheit), et il deviendra un isolant.

Ce n’est pas la seule chose qui change. Comme l’explique le physicien Riccardo Comin, «Le matériau n’est pas magnétique à toutes les températures.»

Bien sûr, même un simple morceau de fer magnétisé perdra son aptitude à pointer vers le nord si vous le chauffez suffisamment, donc ce n’est pas si étrange que ça. Mais l’oxyde de néodyme et de nickel ne joue pas selon les règles habituelles, de sorte que la façon précise dont ses électrons tombent dans des agencements magnétiques est restée un mystère.

Ce que nous savons, c’est que comme la plupart des matériaux ferromagnétiques, les atomes d’oxyde de néodyme et de nickel forment de minuscules amas de particules à orientation magnétique appelés domaines.

Les domaines sont de tailles et d’agencements variés, selon les interactions quantiques entre les électrons et leurs atomes dans certaines conditions. Mais la grande question était de savoir comment ils apparaissent dans l’oxyde de néodyme et de nickel, étant donné sa nature de conducteur qui travaille au noir comme isolant.

«Nous voulions voir comment ces domaines apparaissent et se développent une fois que la phase magnétique est atteinte en refroidissant le matériau», explique M. Comin.

Dans le passé, les chercheurs ont diffusé des rayons X à travers le matériau pour étudier ses propriétés électromagnétiques bizarres de bascule dans l’espoir d’en découvrir les secrets électriques.

Bien que cela ait montré comment le matériau distribue ses électrons à différentes températures, la cartographie de la taille et de la distribution de ses domaines dans de telles conditions nécessitait une approche plus ciblée.

«Nous avons donc adopté une solution spéciale qui permet de réduire ce faisceau à une très petite empreinte au sol, afin de pouvoir cartographier, point par point, la disposition des domaines magnétiques dans ce matériau», explique Comin.

 

Cette solution spéciale était aussi vieille que nouvelle – ils utilisaient la même technologie que beaucoup de vieux phares utilisent pour canaliser la lumière dans un faisceau étroit.

Les lentilles de Fresnel sont des couches empilées d’un matériau transparent avec des crêtes qui redirigent le rayonnement électromagnétique. Alors que les lentilles des phares peuvent faire des mètres de diamètre, celles que Comin et son équipe ont mises au point ne faisaient que 150 microns de largeur.

Le résultat final a été un faisceau de rayons X suffisamment petit pour détecter l’échelle fine des domaines magnétiques à travers un film mince d’oxyde de néodyme-nickel produit en laboratoire.

Protocole expérimental utilisé par les chercheurs pour analyser les structures des domaines magnétiques.

La plupart de ces domaines étaient minuscules. Parmi eux, il y en avait d’autres plus gros. Mais une fois que les chiffres ont été calculés et qu’une carte a été dessinée, la répartition des plus grands domaines parmi une mer de petits domaines semblait étrangement similaire, quelle que soit l’échelle que vous utilisiez.

«Le modèle de domaine était difficile à déchiffrer au début, mais après avoir analysé les statistiques de la distribution du domaine, nous nous sommes rendu compte qu’il avait un comportement fractal», dit Comin.

 

Distribution fractale des domaines magnétiques dans l’oxyde de nickel-néodyme

«C’était complètement inattendu – c’était un heureux hasard.»

Les matériaux qui peuvent agir à la fois comme conducteur et comme isolant jouent déjà un rôle important dans le monde de l’électronique. Les transistors sont basés sur ce principe.

Mais l’oxyde de néodyme et de nickel a un autre tour dans son sac. Le même modèle fractal de domaines réapparaît lorsque la température redescend, presque comme s’il avait une sorte de mémoire pour savoir où redessiner ses frontières.

«Tout comme les disques magnétiques dans les disques durs en rotation, on peut envisager de stocker des bits d’information dans ces domaines magnétiques», explique M. Comin.

Des dispositifs de stockage de mémoire résilients aux neurones artificiels, l’oxyde de néodyme et de nickel fera certainement partie de l’ensemble de l’électronique du futur.

 

Source : https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-scientists-have-discovered-fractal-patterns-in-a-quantum-materialhttps://news.mit.edu/2019/fractal-patterns-quantum-1016 /

Traduction : ExoPortail


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