You are currently viewing Un moteur à quatre temps pour les atomes

Un moteur à quatre temps pour les atomes

Le mouvement du système dans un paysage énergétique. Le système se déplace d’avant en arrière, un peu comme une balle qui roule sur une surface compliquée. Crédit : TU Wien

Si vous changez un peu dans la mémoire d’un ordinateur et que vous le remettez ensuite à nouveau, vous avez restauré l’état d’origine. Il n’y a que deux états qui peuvent être appelés “0 et 1”.

Cependant, un effet étonnant a maintenant été découvert à TU Wien (Vienne) : dans un cristal à base d’oxydes de gadolinium et de manganèse, un interrupteur atomique a été trouvé qui doit être commuté d’avant en arrière non pas une, mais deux fois, jusqu’à ce que l’original état est de nouveau atteint. Au cours de ce double processus d’allumage et d’extinction, le spin des atomes de gadolinium effectue une rotation complète. Cela rappelle un vilebrequin, dans lequel un mouvement de haut en bas est converti en un mouvement circulaire.

Ce nouveau phénomène ouvre des possibilités intéressantes en physique des matériaux. Même les informations pourraient être stockées avec de tels systèmes. L’étrange interrupteur atomique vient d’être présenté dans la revue scientifique La nature.

Couplage des propriétés électriques et magnétiques

Normalement, une distinction est faite entre les propriétés électriques et magnétiques des matériaux. Les propriétés électriques sont basées sur le fait que les porteurs de charge se déplacent, par exemple les électrons qui traversent un métal ou les ions dont la position est décalée.

Les propriétés magnétiques, d’autre part, sont étroitement liées au spin des atomes – le moment cinétique intrinsèque de la particule, qui peut pointer dans une direction très spécifique, tout comme l’axe de rotation de la Terre pointe dans une direction très spécifique.

Cependant, il existe aussi des matériaux dans lesquels les phénomènes électriques et magnétiques sont très étroitement couplés. Le professeur Andrei Pimenov et son équipe de l’Institut de physique du solide de la TU Wien étudient ces matériaux. “Nous avons exposé un matériau spécial composé de gadolinium, de manganèse et d’oxygène à un champ magnétique et mesuré comment sa polarisation électrique a changé au cours du processus”, explique Andrei Pimenov. “Nous voulions analyser comment les propriétés électriques du matériau peuvent être modifiées par le magnétisme. Et étonnamment, nous sommes tombés sur un comportement complètement imprévu.”

Retour au début en quatre étapes

Au début, le matériau est polarisé électriquement – d’un côté il est chargé positivement, de l’autre côté chargé négativement. Ensuite, vous allumez un champ magnétique puissant et la polarisation change très peu. Cependant, si vous éteignez ensuite à nouveau le champ magnétique, un changement spectaculaire devient apparent : soudain, la polarisation s’inverse : le côté qui était chargé positivement auparavant est maintenant chargé négativement, et vice versa.

Maintenant, vous pouvez répéter le même processus une deuxième fois : vous activez à nouveau le champ magnétique et la polarisation électrique reste à peu près constante. Si vous coupez le champ magnétique, la polarisation s’inverse à nouveau et revient ainsi à son état d’origine.

“C’est extrêmement remarquable”, déclare Andrei Pimenov. “Nous effectuons quatre étapes différentes, chaque fois que le matériau change ses propriétés internes, mais seulement deux fois la polarisation change, de sorte que vous n’atteignez l’état initial qu’après la quatrième étape.”

Moteur à quatre temps pour le gadolinium

Un examen plus approfondi montre que les atomes de gadolinium sont responsables de ce comportement : ils changent leur direction de spin à chacune des quatre étapes, à chaque fois de 90 degrés. “Dans un sens, c’est un moteur à quatre temps pour les atomes”, explique Andrei Pimenov. “Dans un moteur à quatre temps également, il faut quatre étapes pour revenir à l’état initial – et le cylindre monte et descend deux fois dans le processus. Dans notre cas, le champ magnétique monte et descend deux fois avant l’état initial. est restauré et le spin des atomes de gadolinium pointe à nouveau dans la direction d’origine.”

Théoriquement, de tels matériaux pourraient être utilisés pour stocker des informations : un système avec quatre états possibles aurait une capacité de stockage de deux bits par commutateur, au lieu du bit d’information habituel pour “0” ou “1”. Mais l’effet est aussi particulièrement intéressant pour la technologie des capteurs : par exemple, on pourrait ainsi réaliser un compteur d’impulsions magnétiques. L’effet fournit de nouvelles entrées importantes pour la recherche théorique : c’est un autre exemple d’un “effet topologique”, une classe d’effets matériels qui suscite beaucoup d’attention en physique du solide depuis des années et devrait permettre le développement de nouveaux matériaux.


Des physiciens découvrent un nouvel effet magnétoélectrique


Plus d’information:
Sergey Artyukhin, Commutation magnétoélectrique topologiquement protégée dans un multiferroïque, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04851-6. www.nature.com/articles/s41586-022-04851-6

Fourni par l’Université de technologie de Vienne

Citation: Un moteur à quatre temps pour les atomes (2022, 6 juillet) récupéré le 7 juillet 2022 sur https://phys.org/news/2022-07-four-stroke-atoms.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation loyale à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.

Leave a Reply