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Les origines subatomiques du ferromagnétisme

La découverte du lien entre l’électricité et le magnétisme il y a moins de deux siècles a eu un impact profond sur notre monde où les appareils électroniques et électriques sont partout présents. Mais tandis que les ingénieurs ont arnaché les forces électromagnétiques à grande échelle, les physiciens se battent encore pour décrire la danse entre les électrons qui crée les champs magnétiques.

Deux physiciens théoriciens de la Rice University rapportent un premier succès en ce domaine dans une publication de la revue Proceedings of the National Academy of Science. Leur nouveau modèle conceptuel, qui a été créé pour en savoir plus sur les bizarreries quantiques des supraconducteurs à haute température et d’autres matériaux de haute technologie, s’est également révélée utile pour décrire l’origine du ferromagnétisme – le « magnétisme » commun des aiguilles de boussole et des aimants pour réfrigérateur.

« En tant que théoricien, vous vous efforcez d’avoir des solutions exactes, et même si notre nouveau modèle est purement théorique, il doit produire des résultats qui correspondent à ce qui est observé dans le monde réel », a déclaré le physicien Qimiao Si, auteur principal du document. « En ce sens, il est rassurant d’avoir conçu un modèle dans lequel le ferromagnétisme est autorisé. »

Les ferro-aimants sont ceux auxquels la plupart des gens pensent lorsqu’ils considèrent les aimants. Ce sont des matériaux magnétiques qui maintiennent en permanence les notes collées aux réfrigérateurs dans le monde entier. Les scientifiques ont depuis longtemps compris le fonctionnement à grande échelle des matériaux ferromagnétiques. L’origine de leur magnétisme peut être décrit théoriquement à l’échelle de quelques dizaines ou centaines d’atomes. Mais, à un niveau plus fin – à l’échelle des atomes et des électrons – les origines du ferromagnétisme restent floues.

« Quand nous avons commencé ce projet, nous étions conscients de l’absence surprenante de progrès théorique qui a été réalisée sur le ferromagnétisme métallique, » explique Si. « Même une question en apparence simple, par exemple ‘pourquoi un système composé d’un aimant et de la surface d’un réfrigérateur génère un ensemble d’électrons qui interagissent les uns avec les autres?’, n’a pas de réponse rigoureuse. »

L’intérêt du physicien Si et de l’étudiant diplômé Seiji Yamamoto dans les fondations du ferromagnétisme découle de l’étude de matériaux qui sont loin d’être ordinaires. La spécialité de Si est un domaine de la physique de la matière condensée qui a résulté de la découverte de la supraconductivité à haute température il y a plus de 20 ans. En 2001, Si a offert une nouvelle théorie pour expliquer le comportement de la classe de matériaux qui comprend les supraconducteurs à haute température. Cette classe de matériaux – connu sous le nom « matière à fortes corrélations quantiques » – comprend également plus de dix types connus de composites ferromagnétique.

En 2001, la théorie du physicien Si et ses travaux ultérieurs ont visé à expliquer le comportement observé expérimentalement des matériaux corrélés au niveau quantique en se basant sur l’interaction étrange entre les électrons. En particulier, il a mis l’accent sur le comportement des électrons corrélés à l’approche d’un point quantique « critique », un point de basculement qui est l’équivalent quantique du changement brusque solide-liquide qui se produit lorsque la glace fond.

Le point critique quantique qui joue un rôle clé dans la supraconductivité à haute température est le point de basculement qui marque un changement d’antiferromagnétisme, un état magnétique qui a sensiblement différentes caractéristiques subatomiques par rapport au ferromagnétisme. En raison de son rôle clé dans la supraconductivité à haute température, la plupart des études dans le domaine ont porté sur l’antiferromagnétisme. En revanche, le ferromagnétisme – forme courante du magnétisme – a reçu beaucoup moins d’attention de la part de la physique théorique.

« Donc, notre question initiale théorique était ‘Que se passerait-il, en termes d’effets d’électrons fortement corrélés, lorsqu’un matériau ferromagnétique passe par l’un de ces points de basculement quantique? » dit Yamamoto, qui est actuellement chercheur postdoctoral au National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee, en Floride

Pour mener à bien cette expérience de pensée, Si et Yamamoto ont créé un système modèle qui idéalise ce qui existe dans la nature. Leur point de départ est un phénomène bien connu sous le nom d’effet Kondo – qui a aussi ses racines dans des effets quantiques magnétiques. Sur la base de ce qu’ils savaient de cet effet, ils ont créé un modèle de réseau « Kondo, » un maillage le plus affiné possible d’électrons qui se comportent comme ceux qui avaient été observés dans les études Kondo de matériaux dans le monde réel.

Si et Yamamoto ont été en mesure d’utiliser le modèle pour fournir une réponse rigoureuse sur les origines subatomiques du ferromagnétisme métallique. En outre, l’état ferromagnétique qui a été prédit par le modèle s’est avéré avoir des propriétés quantiques qui ressemblent étroitement à celles observées expérimentalement dans les fermions lourds ferromagnétiques.

« Le modèle est utile car il nous permet de prédire comment les matériaux du monde réel peuvent se comporter conformément à un ensemble spécifique de circonstances », a précisé M. Yamamoto. » Et, en effet, nous avons pu l’utiliser pour expliquer les observations expérimentales sur les métaux à fermions lourds, y compris les antiferromagnétiques ainsi que les matériaux ferromagnétiques moins bien compris. »

Source: article original

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