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On a vu l'orientation du spin d'atomes de cobalt !

Un groupe de chercheurs américains et allemands vient de publier dans Nature Nanotechnology des images obtenues avec un microscope à effet tunnel montrant pour la première fois l’état de spin d’un électron dans un atome. La performance pourrait avoir des applications en spintronique et dans le stockage magnétique des données.

Une des images montrant les atomes de cobalt vus au microscope à effet tunnel. Les flèches indiquent l'orientation du spin de ces atomes. Crédit : Saw-Wai Hla, Ohio University Une des images montrant les atomes de cobalt vus au microscope à effet tunnel. Les flèches indiquent l'orientation du spin de ces atomes. Crédit : Saw-Wai Hla, Ohio University

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Manipuler la matière atome par atome, c’est le rêve poursuivi par des physiciens depuis des dizaines d’années. Suivant la feuille de route établie par Richard Feynman dans sa célèbre conférence intitulée There's Plenty of Room at the Bottom (il y a plein de place au fond), nombreux sont ceux qui cherchent à réaliser des ordinateurs encore plus petits et plus rapides ainsi que des nano-machines dont les disciples d’Eric Drexler et Ray Kurzweil attendent monts et merveilles.

Dans le domaine de la miniaturisation des ordinateurs et des mémoires magnétiques, l’un des champs de recherche les plus prometteurs et les plus sérieux est celui de la spintronique. C’est dans ce cadre que s’inscrit un article de Nature Nanotechnology récemment mis en ligne et dans lequel des chercheurs des universités de Hambourg et de l’Ohio montrent qu’à l’aide d’images prises au microscope à effet tunnel , il est possible de visualiser l’orientation du spin associé à des atomes de cobalt individuels placés sur une surface en manganèse. C’est la première fois qu’une telle performance est réalisée.


Une vidéo sur les nanosciences et les idées visionnaires de Richard Feynman. Crédit : Kavli Foundation

Les atomes de cobalt se présentent alors comme des sortes de pics montagneux dont la forme dépend de l’état de spin des électrons. Le spin, qui décrit le moment cinétique d’une particule comme si elle était une toupie, peut être associé à une flèche orientée selon diverses directions dans l’espace. Il ne faut pas perdre de vue cependant qu’il s’agit d’un phénomène foncièrement quantique et qui ne saurait être vraiment pensé jusqu’au bout à l'aide d'images de toupies orientées dans l’espace.

Dans les expériences réalisées par les chercheurs, lorsque le spin est dirigé nettement vers le haut, il apparaît comme un pic étroit et comme un pic large lorsqu'il est dirigé vers le bas, presque comme s'il était dédoublé.

Il y a mieux.

De même que les chercheurs d’IBM étaient parvenus à manipuler un par un des atomes pour écrire des lettres en les déposant sur une surface, les chercheurs ont observé que les changements de positions des atomes à l’aide du microscope à effet tunnel modifient l’orientation du spin des atomes de cobalt. Cela suggère donc qu’il devrait être également possible de manipuler le spin des atomes un par un.

Or, on sait que dans des mémoires magnétiques, l’information (des 0 et des 1) est stockée sous forme de l’orientation de la direction des spins de régions formées de dizaines de milliers d’atomes. Si, au lieu d’un millier d'atomes de même spin pour chaque bit, on pouvait se contenter d'un seul, on pourrait en théorie obtenir un gain d’un facteur mille dans la densité d'enregistrement.

On n’en est pas encore là...

En effet, dans les expériences que les chercheurs ont réalisées, il a fallu travailler dans des conditions d’ultravide et à des températures de l’ordre de 10 kelvins en refroidissant les dispositifs avec de l’hélium liquide.


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