Les nano-aimants offrent des indices sur le fonctionnement des avalanches

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Le comportement des avalanches a suscité l’intérêt des physiciens pour les informations qu’ils peuvent fournir sur de nombreux autres systèmes, notamment la façon dont la neige tombe le long d’une montagne. À cette fin, une équipe de chercheurs a étudié des réseaux microscopiques de nano-aimants qui fournissent la première démonstration expérimentale d’un modèle théorique classique, connu sous le nom de «modèle d’Ising à champ aléatoire unidimensionnel» (1D random-field Ising model ou 1D-RFIM) et ont réussi à le reproduire avec précision dans une glace de spin artificielle.


Le modèle d’Ising à champ aléatoire 1D (1D-RFIM) est, pour beaucoup, le modèle de référence pour l’approximation des phénomènes d’avalanche dans des systèmes allant des matériaux granulaires aux circuits électriques. Mais la plupart des systèmes approximés par le modèle sont en 2D ou en 3D, et les résultats et les prédictions ne correspondent pas toujours. Maintenant, Peter Schiffer de l’Université de Yale, Karin Dahmen de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign et leurs collègues montrent qu’ils peuvent réaliser avec précision le modèle 1D dans une glace artificielle. Schiffer dit que leur démonstration expérimentale pourrait permettre une meilleure modélisation de systèmes d’avalanche plus complexes. Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans Physical Review Letters.

Pour l’étude, les chercheurs ont installé les réseaux de nano-aimants dans le laboratoire de Peter Schiffer, le professeur Frederick W. Beinecke de physique appliquée, qui a dirigé l’expérience. Les nano-aimants, qui mesurent quelques millionièmes de pouce, interagissent entre eux comme deux aimants de réfrigérateur rapprochés. Le réseau est d’abord initialisé de sorte que, en rangées alternées, la moitié des nano-aimants aient le pôle nord pointant vers le haut et l’autre moitié le pôle nord pointant vers le bas.

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À l’aide d’un grand électro-aimant, l’équipe a appliqué un champ magnétique au réseau, provoquant le retournement des pôles d’une fraction des nano-aimants et leur alignement magnétique dans l’autre sens. Pour détecter les changements, ils ont utilisé un microscope à force magnétique doté d’une aiguille magnétique extrêmement petite qui est tirée vers le bas ou repoussée vers l’aimant, selon qu’il passe au-dessus du pôle nord ou du pôle sud.

Avancées et portée du travail

L’une de leurs découvertes est que les pôles magnétiques se retournent en grappes le long des rangées des réseaux, chaque retournement microscopique engendrant un autre groupe d’aimants pour retourner les pôles – la façon dont fonctionne une avalanche. “C’est un point clé, car quand on retourne, cela ajoute une impulsion supplémentaire au suivant”, a déclaré Schiffer. «Ce que nous mesurons, c’est vraiment la distribution de ces clusters qui ont basculé. Combien de petits? Combien de plus gros? Et puis la distribution de ces clusters est ce que nous comparons au modèle, qui fait une prédiction sur la façon dont ces clusters devraient être distribués».

Il s’agit de la première expérience à refléter avec précision le modèle d’Ising à champ aléatoire dans une dimension, qui est l’un des modèles fondamentaux permettant aux physiciens de décrire comment les choses se passent dans de grands groupes. Plus précisément, cela implique des choses qui peuvent être dans l’un des deux états – dans ce cas, des choses qui pointent vers le haut ou vers le bas. “Ce que le modèle prédit, c’est quelle devrait être cette distribution des tailles d’avalanche”, a-t-il déclaré. “Et c’est ce que nous voyons très clairement – nous avons mesuré la distribution de la façon dont les pôles magnétiques basculent, et cela correspond incroyablement bien aux attentes”.

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L’un des avantages d’avoir une démonstration expérimentale propre est que des variations soigneusement conçues sur ce système microscopique bien contrôlé pourraient aider les chercheurs à comprendre et à prédire des phénomènes beaucoup plus compliqués dans le monde réel, tels que la façon dont certains matériaux se désagrègent lorsqu’ils sont tirés, ou ce qui provoque des pannes électriques en circuits.

Les co-auteurs de l’étude sont Nicholas Bingham (auteur principal), les étudiants de Yale College Alejandro Simon et Will Zhu, l’étudiant diplômé de Yale Xiaoyu Zhang et les collaborateurs Jungsik Park, Karin Dahmen et Spencer Rooke à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign; et Chris Leighton, Joseph Batley et Justin Watts à l’Université du Minnesota.

Voir la publication

N. S. Bingham et al., “Experimental realization of the 1D random field Ising model”, Phys. Rev. Lett. 127, 207203 (2021).

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