Un nouvel effet quantique remet en question l’effet Kondo de longue date

Pour la première fois, des physiciens expérimentaux du pôle d’excellence Würzburg-Dresde ct.qmat ont démontré un nouvel effet quantique bien nommé « spinaron ». Dans un environnement méticuleusement contrôlé et à l’aide d’un ensemble d’instruments avancés, ils ont réussi à prouver l’état inhabituel que prend un atome de cobalt sur une surface de cuivre.

Cette révélation remet en question l’effet Kondo, un concept théorique développé dans les années 1960 et considéré comme le modèle standard pour l’interaction des matériaux magnétiques avec les métaux depuis les années 1980. Ces découvertes révolutionnaires ont été publiées aujourd’hui dans Physique naturelle.

Ultra-froid et ultra-résistant : repousser les limites en laboratoire

Des conditions extrêmes règnent dans le laboratoire de Würzburg des physiciens expérimentaux, le professeur Matthias Bode et le Dr Artem Odobesko. Affiliés au pôle d’excellence ct.qmat, une collaboration entre JMU Würzburg et TU Dresden, ces visionnaires posent de nouveaux jalons dans la recherche quantique.

Leur dernière tentative dévoile l’effet spinaron. Ils ont stratégiquement placé des atomes de cobalt individuels sur une surface de cuivre, ont réduit la température à 1,4 Kelvin (-271,75° Celsius), puis les ont soumis à un puissant champ magnétique externe. “L’aimant que nous utilisons coûte un demi-million d’euros. Ce n’est pas un produit largement disponible”, explique Bode. Leur analyse ultérieure a donné lieu à des révélations inattendues.

“Nous pouvons observer les atomes de cobalt individuels à l’aide d’un microscope à effet tunnel. Chaque atome possède un spin, qui peut être considéré comme un pôle nord ou sud magnétique. Le mesurer a été crucial pour nos découvertes surprenantes”, explique Bode. “Nous avons déposé en phase vapeur un atome de cobalt magnétique sur une base de cuivre non magnétique, provoquant ainsi l’interaction de l’atome avec les électrons du cuivre.” La recherche de tels effets de corrélation au sein des matériaux quantiques est au cœur de la mission de ct.qmat, une quête qui promet des innovations technologiques transformatrices à l’avenir.

Depuis les années 1960, les physiciens du solide supposent que l’interaction entre le cobalt et le cuivre peut s’expliquer par l’effet Kondo, les différentes orientations magnétiques de l’atome de cobalt et des électrons du cuivre s’annulant. Cela conduit à un état dans lequel les électrons de cuivre sont liés à l’atome de cobalt, formant ce qu’on appelle un « nuage Kondo ».

Cependant, Bode et son équipe ont approfondi leurs recherches dans leur laboratoire. Et ils ont validé une théorie alternative proposée en 2020 par le théoricien Samir Lounis de l’institut de recherche Forschungszentrum Jülich.

En exploitant la puissance d’un champ magnétique externe intense et en utilisant une pointe de fer dans le microscope à effet tunnel, les physiciens de Würzburg ont réussi à déterminer l’orientation magnétique du spin du cobalt. Cette rotation n’est pas rigide, mais alterne en permanence, c’est-à-dire de « spin-up » (positif) à « spin-down » (négatif), et vice versa. Cette commutation excite les électrons du cuivre, un phénomène appelé effet spinaron.

Bode l’explique avec une analogie frappante : « En raison du changement constant dans l’alignement des rotations, l’état de l’atome de cobalt peut être comparé à celui d’un ballon de rugby. Lorsqu’un ballon de rugby tourne continuellement dans une piscine à balles, les balles environnantes sont déplacées de manière C’est précisément ce que nous avons observé : les électrons de cuivre ont commencé à osciller en réponse et se sont liés à l’atome de cobalt.

“Cette combinaison de l’aimantation changeante de l’atome de cobalt et des électrons de cuivre qui y sont liés est le spinaron prédit par notre collègue de Jülich.”

La première validation expérimentale de l’effet spinaron, réalisée par l’équipe de Würzburg, jette le doute sur l’effet Kondo. Jusqu’à présent, il était considéré comme le modèle universel pour expliquer l’interaction entre les atomes magnétiques et les électrons dans les matériaux quantiques comme le duo cobalt-cuivre. Bode plaisante : “Il est temps d’inscrire un astérisque significatif dans ces manuels de physique.”

Spinaron et spintronique

Dans l’effet spinaron, l’atome de cobalt reste en perpétuel mouvement, conservant son essence magnétique malgré son interaction avec les électrons. Dans l’effet Kondo, en revanche, le moment magnétique est neutralisé par ses interactions électroniques.

“Notre découverte est importante pour comprendre la physique des moments magnétiques sur les surfaces métalliques”, explique Bode. À l’avenir, de tels phénomènes pourraient ouvrir la voie au codage et au transport magnétiques des informations dans de nouveaux types d’appareils électroniques. Baptisée « spintronique », cette technologie pourrait rendre l’informatique plus écologique et plus économe en énergie.

Cependant, Bode tempère les attentes en parlant du caractère pratique de cette combinaison cobalt-cuivre. “Nous avons essentiellement manipulé des atomes individuels à des températures ultra-basses sur une surface vierge dans un ultra-vide. C’est irréalisable pour les téléphones portables. Bien que l’effet de corrélation soit un moment décisif dans la recherche fondamentale pour comprendre le comportement de la matière, je peux” Je ne peux pas construire un véritable commutateur à partir de cela.

Actuellement, le physicien quantique de Würzburg Artem Odobesko et le théoricien de Jülich Samir Lounis se concentrent sur une analyse à grande échelle des nombreuses publications décrivant l’effet Kondo dans diverses combinaisons de matériaux depuis les années 1960. “Nous soupçonnons que beaucoup pourraient en réalité décrire l’effet spinaron”, déclare Odobesko, ajoutant: “Si c’est le cas, nous réécrirons l’histoire de la physique quantique théorique.”