La revue Physical Review Letters de l'American Physical Society (APS), l'une des plus influentes dans le domaine de la physique, a sélectionné un article sur les nanomagnets en tant que “ Suggestion de la rédaction ”, un privilège accordé à seulement un sixième des ouvrages publiés, avec une mention explicite dans Physics Magazine. L’un de ses auteurs est Fernando Delgado Acosta, de l'Institut d'études avancées en physique atomique, moléculaire et photonique de l'Université de La Laguna, en collaboration avec des scientifiques de l'Université de technologie de Delft (Pays-Bas) et du Centre de nanoscience quantique de Séoul (Corée du Sud).
Avec une pointe d'humour, le physicien et mathématicien britannique Michael Berry a surnommé “ points diaboliques ” les dégénérescences non accidentelles (un terme utilisé pour décrire les points d'énergie égale) entre deux états qui apparaissent dans une grande variété de systèmes quantiques. C'était un clin d'œil au mot italien “diavolo”, en raison de la similitude entre les surfaces d'énergie correspondant à ces états dans un espace de paramètres tridimensionnel et le diabolo, jouet pour enfants dont les deux moitiés coniques opposées sont jointes par un col étroit.
Bien que les effets de ces points diaboliques aient été observés dans une grande variété de systèmes physiques, il n'avait jusqu'à présent pas été possible de les étudier dans un seul système quantique isolé, mais plutôt par le biais de mesures indirectes dans lesquelles on obtient des informations moyennées, un processus au cours duquel certaines des données obtenues à partir de ces millions de petits systèmes étudiés simultanément sont irrémédiablement perdues, en particulier les données associées aux phénomènes d'interférence quantique.
Les auteurs sont parvenus à créer et à manipuler individuellement des nanomagnets composés de quelques atomes de fer seulement, et ont mis en évidence la présence de zones diaboliques. Plus précisément, Robbie Elbertse, de l'université néerlandaise et auteur principal de l'étude, et ses collaborateurs ont montré comment, en préparant ces nanomagnets dans un état particulier, leur durée de vie peut être multipliée par mille à l'approche d'une zone diabolique. Cette extrême sensibilité de la durée de vie observée aux infimes variations du champ magnétique dans une orientation donnée ouvre la voie à des applications futures potentielles, telles que des capteurs magnétiques de très petite taille et de haute précision.
En utilisant des techniques de manipulation atomique avec un microscope à effet tunnel (STM) sous ultravide et à basse température, les auteurs de cette étude ont construit des chaînes de quelques atomes de fer sur une surface cristalline. Ils ont ensuite observé la formation d'un motif antiferromagnétique : une structure dans laquelle les moments magnétiques s'alignent de telle sorte que leurs directions alternent. Autrement dit, les moments magnétiques des atomes voisins les plus proches sont toujours orientés dans des directions opposées.
Cependant, ces nanomagnets n'obéissent pas aux lois de la physique classique, mais plutôt aux principes de la mécanique quantique, qui incluent, entre autres, des états sans aucune ressemblance avec une représentation “ classique ”. En particulier, il existe des états correspondant à la superposition de deux états classiques totalement opposés.
En général, l'état du système oscille rapidement entre deux états quasi-superposés : l'état fondamental de plus basse énergie et le premier état excité. Ainsi, si l'on tentait de stocker des données dans la polarité du moment magnétique, où un détecteur fournirait une réponse binaire “ nord ” ou “ sud ”, on observerait que lors de l'interrogation du système (par une mesure), la réponse basculerait constamment entre nord et sud, empêchant ainsi son utilisation comme moyen de stockage de données.
Dans le cas des atomes de fer de cette expérience, l'étude de leurs niveaux d'énergie en fonction des deux composantes perpendiculaires d'un champ magnétique révèle une structure évoquant un diabolo : un cône pointant vers le haut correspond à l'état fondamental, tandis que l'autre cône pointant vers le bas correspond au premier état excité. À leur jonction, le point diabolique, les deux états sont dégénérés.
L'équipe de recherche à l'origine de cette étude a démontré qu'il est possible de manipuler l'état de ces chaînes d'atomes de fer afin qu'elles occupent l'un de ces points diaboliques bien connus. La conséquence la plus importante est que les temps de séjour dans chaque état peuvent être considérablement allongés, jusqu'à un facteur mille.
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