Een groot deel van het 'geheugen' van de wereld en al onze digitale activiteiten zijn gebaseerd op media, harde schijven, waar de informatie is gecodeerd dankzij magnetisme, door de spin van elektronen in de ene of de andere richting te oriënteren.

Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van de Italiaanse natuurkundige Stefano Bonetti, professor aan de Ca' Foscari Universiteit van Venetië en de Universiteit van Stockholm, voor het eerst de 'nutatie' van deze spins in magnetische materialen heeft kunnen waarnemen, dat wil zeggen de oscillaties van hun as tijdens precessie. De gemeten nutatieperiode was in de orde van één picoseconde:een duizendste van een miljardste van een seconde. De ontdekking is gepubliceerd door Natuurfysica .

De as van een spin voert nutatie en precessie uit, zoals met elk object dat ronddraait, van tollen tot planeten. In dit onderzoek, natuurkundigen hebben experimenteel waargenomen dat de nutatie van de magnetische spin-as 1000 keer sneller is dan precessie, een merkwaardig vergelijkbare verhouding met die van de aarde.

Deze nieuwe ontdekking van tot nu toe onbekende fysieke kenmerken van spins is fundamenteel in onderzoek om digitale technologieën steeds sneller, compact en energetisch efficiënt. Om deze verschijnselen te manipuleren op tijdschalen van duizendsten van miljardsten van een seconde, echter, we moeten eerst hun dynamiek kennen, inclusief traagheidsdynamiek.

"Dit is het eerste directe en experimentele bewijs van de traagheidsbewegingen van magnetische spins, " legt Stefano Bonetti uit, die een ERC-project over ultrasnel magnetisme coördineert, "met implicaties die van invloed zijn op, bijvoorbeeld, datacenters die bijna alle digitale informatie van de mensheid opslaan in bits met de noordpool omhoog of omlaag, dus het coderen van de computer 0s en 1s. Wanneer deze spins worden omgekeerd om informatie te schrijven, precessie en nutatie spelen ook een rol. Het kennen van de nutatieperiode wordt essentieel naarmate de rotatiesnelheid toeneemt. Deze eerste observatie van deze bewegingen maakt de weg vrij voor nieuwe technologieën om de efficiëntie van onze digitale activiteiten te verbeteren, die, tussen alle menselijke activiteiten, noteren de grootste stijging van het energieverbruik."

Het experiment

Het experiment vereiste samenwerking met verschillende Europese wetenschappelijke laboratoria in Duitsland (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Technische Universiteit Chemnitz, Universiteit Duisburg-Essen, Duits Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR), TU Berlijn) Frankrijk (École Polytechnique) en Italië (Federico II Universiteit van Napels en 'Parthenope' Universiteit van Napels), met de belangrijkste meting in het Helmholtz Research Center in Dresden-Rossendorf, Duitse. In dit centrum, het TELBE-laboratorium is in staat om de intense terahertz-straling (d.w.z. het frequentiebereik tussen microgolven en infrarood) te genereren die nodig zijn voor het experiment. De groep onder leiding van Stefano Bonetti was een van de eerste groepen die dit laboratorium gebruikten en hielp bij de ontwikkeling van de eigenlijke machine.

"De eerste experimenten waren uitdagend, " zegt de natuurkundige van Ca' Foscari, "maar, na een paar jaar, de machine werkte al met zeer hoge prestaties. Deze metingen zijn gedurende een jaar gedaan, bij drie verschillende gelegenheden, om de reproduceerbaarheid van dit nooit eerder waargenomen effect te controleren."

De activiteiten van Stefano Bonetti maken deel uit van een bredere context van investeringen door de Venetiaanse universiteit in wetenschappelijk onderzoek en onderwijs van het departement Moleculaire Wetenschappen en Nanosystemen. Vanaf dit academiejaar deze afdeling lanceert een opleiding Engineering Physics, gecoördineerd door Bonetti, zelf een natuurkundig ingenieur, "Wetenschap is altijd in ontwikkeling, en wie weet wat we over tien jaar gaan onderzoeken, maar het idee van de nieuwe opleiding is juist om een ​​nieuwe generatie wetenschappers voor te bereiden die klaar zijn voor de uitdagingen van de toekomst."