La propagation d'avalanches dans les aimants régie par une loi quantique
Une équipe de chercheurs européens vient de découvrir un nouveau phénomène de physique macroscopique régi par une loi quantique: la déflagration magnétique quantique. La découverte, publiée dans la revue américaine Physical Review Letters, pourrait avoir demain des applications en technologie quantique et en nano-information. L'équipe, dirigée par Javier Tejada, professeur de physique fondamentale à l'université de Barcelone, et Paul Santos, un chercheur de l'institut Paul Drude à Berlin, ont annoncé l'induction contrôlée d'avalanches de renversement de l'aimantation dans le Mn12-acétate, un matériau largement utilisé pour étudier la pénétration par effet tunnel quantique et qui pourrait également avoir des applications dans les mémoires magnétiques et en informatique quantique. L'on sait depuis les années 1990 que les aimants de la taille d'une molécule qui composent le cristal magnétique peuvent subir un basculement de leur spin lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, et que le processus de renversement de pôle se fait sous forme d'avalanches magnétiques. Plus tôt cette année, à l'université de la cité universitaire de New York (CUNY), la chercheuse Myriam P. Sarachik et l'étudiant de troisième cycle Yoko Suzuki, ont réalisé une expérience visant à détecter les avalanches magnétiques. Ils ont découvert que, en cas d'exposition à une source de chaleur, le renversement de l'aimantation des cristaux de Mn12-acétate progresse de façon similaire à la propagation d'un front de flammes à travers une substance chimique inflammable. Ce phénomène a reçu le nom de "déflagration magnétique". Aujourd'hui, l'équipe des professeurs Tejada et Santos annonce l'induction contrôlée de l'aimantation d'un monocristal de Mn12-acétate. Les chercheurs ont découvert que la vitesse de propagation à laquelle les pôles magnétiques s'inversent suit une loi déterminée par la mécanique quantique. Combinée à la preuve de la déflagration magnétique dans le Mn12-acétate, cette constatation laisse supposer un nouveau phénomène physique: la déflagration assistée par l'effet tunnel quantique. En d'autres mots, et contrairement aux attentes, il s'agit d'un effet macroscopique régi par une loi quantique. Le professeur Tejada suggère, afin de mieux comprendre le concept de déflagration magnétique, d'établir un parallèle entre la combustion chimique et ce que nous qualifions de "combustion magnétique". La combustion chimique implique une réaction entre une substance (le combustible) et un gaz (l'oxydant), et le dégagement d'une grande quantité de chaleur. Dans une réaction de combustion complète, les composants du matériau interagissent avec l'oxydant pour produire de nouveaux composants (combustibles brûlés). La déflagration est un processus de combustion lent soumis au principe de la conductivité thermale et se propageant à une vitesse inférieure à celle du son. Pour le professeur Tejada, l'exemple le plus simple est celui d'un morceau de papier dont l'une des extrémités est exposée à la chaleur d'un briquet: "une couche de papier brûle et chauffe la couche suivante, et ainsi de suite jusqu'à ce que tout le papier ait brûlé. Ce qui est propagé et brûlé est la flamme, ce qui reste ce sont les cendres". Si l'on transpose cela à des matériaux magnétiques dont l'ensemble des pôles est orienté dans la même direction, comme par exemple un matériau composé de très petits aimants tous avec le nord orienté vers le haut, les pôles magnétiques devraient - lorsqu'on applique un champ magnétique dans la direction opposée - tourner lentement jusqu'à finalement s'aligner tous vers le bas. Si nous appliquons des micro-ondes acoustiques au matériau pour le chauffer, alors - dans une certaine partie de ce matériau - la chaleur sera suffisante pour y provoquer le renversement des pôles magnétiques. Cette partie du matériau chauffe ensuite les zones avoisinantes suffisamment pour y induire la même réaction, et les pôles des autres champs magnétiques sont renversés; cette propagation se poursuit jusqu'à ce que tous les spins soient alignés vers le bas (soit à l'opposé de leur orientation initiale). Le renversement de pôles est induit par l'effet tunnel du moment magnétique, qui est un effet quantique. Comme le professeur Tejada l'a expliqué à CORDIS Nouvelles, la découverte est due en partie au travail et au savoir acquis dans le cadre du projet NANOMAGIQC financé par l'UE, et qui s'est clôturé en janvier 2005. Il s'agissait là de la première recherche approfondie en vue d'associer dispositifs nanotechnologiques et systèmes magnétiques pour l'information et le stockage quantiques. Forte de ses résultats, l'équipe de chercheurs a posé sa candidature pour le financement d'un nouveau projet européen au titre de l'activité NEST sur les nouvelles sciences et technologies émergentes relevant du Sixième programme-cadre. Ce projet permettrait des recherches en matière de superrradiance, un effet et une application technologiques en rapport avec la déflagration magnétique quantique.
Pays
Espagne