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Les fractals sont des objets mathématiques dont les motifs internes se répètent, formant une structure invariante par changement d’échelle. Des flocons de neige aux éclairs, les fractals se retrouvent dans de nombreux phénomènes naturels. Et récemment, des chercheurs du MIT ont mis en évidence une distribution fractale des domaines magnétiques, dans un matériau aux propriétés quantiques particulières.

Des physiciens du MIT ont fourni le premier exemple connu d’arrangement fractal dans un matériau quantique. Les motifs ont été observés dans une distribution inattendue d’unités magnétiques appelées « domaines », qui se développent dans un composé appelé oxyde de nickel-néodyme — un métal de terre rare doté de propriétés étonnantes. L’étude a été publiée dans la revue Nature Communications.

Une meilleure compréhension de ces domaines et de leurs structures pourrait potentiellement déboucher sur de nouvelles méthodes de stockage et de protection des informations numériques. Comme l’explique le physicien Riccardo Comin, « le matériau n’est pas magnétique à toutes les températures ».

La distribution géométrique des domaines magnétiques dans l’oxyde de nickel-néodyme

Les atomes de l’oxyde de nickel et de néodyme forment de minuscules amas de particules orientées magnétiquement, appelées domaines. Les domaines se présentent sous différentes tailles et dispositions, en fonction des interactions quantiques entre les électrons et leurs atomes dans certaines conditions. Mais la question était de savoir comment ils émergeaient dans l’oxyde de nickel-néodyme, compte tenu de sa nature de conducteur.

« Nous voulions voir comment ces domaines apparaissent et se développent une fois que la phase magnétique est atteinte lors du refroidissement du matériau » déclare Comin. Les chercheurs ont par le passé étudié les propriétés magnétiques singulières du matériau grâce aux rayons X. Alors que cela montrait comment le matériau distribuait ses électrons à différentes températures, la cartographie de la taille et de la distribution de ses domaines dans de telles conditions nécessitait une approche plus focalisée.

protocole fractal

Protocole expérimental utilisé par les chercheurs pour analyser les structures des domaines magnétiques. Crédits : Jiarui Li et al. 2019

« Nous avons donc adopté une solution spéciale qui permet de focaliser le faisceau de rayons X, de manière à pouvoir cartographier, point par point, la disposition des domaines magnétiques dans ce matériau » explique Comin.

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Les lentilles de Fresnel sont des couches empilées d’un matériau transparent avec des arêtes, qui redirigent le rayonnement électromagnétique. Les lentilles que Comin et son équipe ont développées ne mesuraient que 150 microns de large. Le résultat final était un faisceau de rayons X suffisamment petit pour détecter la fine échelle des domaines magnétiques à travers un film mince d’oxyde de nickel néodyme développé en laboratoire.

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La répartition fractale des domaines magnétiques

La plupart de ces domaines étaient minuscules. Dispersés parmi eux se trouvaient des plus gros. Mais une fois que les données ont été analysées et qu’une carte a été modélisée, la distribution des domaines plus grands parmi les nombreux domaines bien plus petits était étrangement similaire, quelle que soit l’échelle utilisée.

domaines fractal

Distribution fractale des domaines magnétiques dans l’oxyde de nickel-néodyme. Crédits : Jiarui Li et al. 2019

« Le schéma des modèles était difficile à déchiffrer au début, mais après avoir analysé les statistiques de la distribution des domaines, nous nous sommes rendus compte qu’il avait un comportement fractal. C’était complètement inattendu, un pur hasard » explique Comin. Les matériaux pouvant servir à la fois de conducteurs et d’isolants jouent déjà un rôle important dans le monde de l’électronique. Les transistors sont basés sur ce principe même.

Mais l’oxyde de nickel-néodyme a une autre propriété. Le même schéma fractal de domaines réapparaît lorsque la température baisse de nouveau, presque comme s’il disposait d’une sorte de mémoire. « Semblable aux disques magnétiques dans les disques durs en rotation, on peut envisager de stocker des bits d’information dans ces domaines magnétiques » conclut Comin.

Sources : Nature Communications

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