Vers de nouveaux métamatériaux magnétiques

Des chercheurs de l'Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine) et de l'Université de San Diego ont réussi à concevoir des réseaux de nano-aimants à quatre orientations de spin possibles. Les premiers résultats expérimentaux laissent entrevoir le développement de nouvelles générations de composants électroniques. Ces travaux ont été publiés dans Nature Materials le 29 octobre 2018.

La frustration magnétique est un phénomène recherché car à l'origine de comportements exotiques dont on peut tirer de grandes avancées scientifiques. Avec l'objectif de provoquer ces comportements atypiques, des chercheurs de l'Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine) et de l'Université de San Diego ont fabriqué un système de spin artificiel magnétique: des réseaux carrés de nano-aimants de forme également carrée de quelques dizaines de nanomètres. En atteignant un haut degré de perfection dans l'arrangement cristallin des atomes dans des films minces de fer de 2 nm d'épaisseur, ils ont aussi réussi à obtenir des aimants qui prennent potentiellement quatre orientations de spins différents (modèle de Potts à quatre états).

Jusqu'à présent, ces systèmes étaient limités à des spins à deux états (modèle d'Ising à deux états). Ils ont ainsi créé un assemblage de nano-aimants qui interagissent entre eux sans nécessairement pouvoir satisfaire toutes les interactions qu'ils ont avec leurs voisins, synonyme de "frustration". Les chercheurs ont ainsi conçu plusieurs réseaux, à partir d'un même pavage carré, mais tournés progressivement de 0 à 45°. Observant l'orientation magnétique de chacun des nano-aimants dans ces différentes configurations, ils ont mis en évidence des organisations collectives qui changent complètement en fonction des réseaux créés: organisations parallèles (ferromagnétique), anti-parallèles (antiferromagnétique colinéaire) ou en boucles (glace de spin carrée).

Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation de nouveaux métamatériaux magnétiques dont les propriétés peuvent être ajustées par de simples variations géométriques. A plus long terme, la fabrication d'une nouvelle génération de composants électroniques dédiés au calcul bio-inspiré pourrait même être envisagée. Inspirés du fonctionnement du cerveau ces dispositifs effectueraient des opérations complexes, comme de la reconnaissance de forme, à moindre coût énergétique.

Références
A tunable magnetic metamaterial based on the dipolar four-state Potts model
D. Louis, D. Lacour, M. Hehn, V. Lomakin, T. Hauet and F. Montaigne, D. Louis et al., Nature Materials 2018.
https://www.nature.com/articles/s41563-018-0199-x

Contacts chercheurs
François Montaigne, enseignant-chercheur à l'Institut Jean Lamour (CNRS / Université de Lorraine)
Daniel Lacour, UMR7198 Institut Jean Lamour (IJL)