Une équipe de chercheurs, affilié à l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan en Corée du Sud (UNIST) a démontré la possibilité d'induire et de contrôler une réponse magnétique dans un matériau de couche non magnétique par excitation sélective de vibrations spécifiques du matériau.

Une équipe de recherche, affilié à UNIST a récemment démontré la possibilité d'induire et de contrôler une réponse magnétique dans un matériau de couche non magnétique par excitation sélective de vibration spécifique du matériau, à l'aide d'outils de simulation théorique de pointe.

Cette percée a été menée par le professeur Noejung Park de l'École des sciences naturelles en collaboration avec des chercheurs du département de théorie du MPSD (Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière) et du CFEL à Hambourg. Dans l'étude, l'équipe de recherche a démontré que les phonons à polarisation circulaire produisent un état de spin dynamique dépendant de la vallée en raison d'un fort couplage spin-phonon, qui peut être développé comme véhicule pour le calcul quantique ou les applications de spintronique. Les résultats de cette étude ont été publiés dans Communication Nature le 12 février, 2018.

Dans la vie de tous les jours, nous expérimentons et utilisons de nombreuses propriétés des matériaux :des conducteurs/isolants électriques et thermiques à la micro-/nano-électronique, télécommunications, l'informatique, détection, conversion d'énergie et matériaux sur mesure avec mécanique spécifique, propriétés optiques et magnétiques, pour n'en nommer que quelques-uns. Au microscope, ces matériaux sont constitués d'électrons et de noyaux, et leurs propriétés peuvent principalement être attribuées à l'arrangement mécanique quantique des électrons. Même si le noyau atomique peut également être spécifié par ses particules constitutives, comme les protons et les neutrons, la structure interne du noyau, dans la plupart des cas, ne joue aucun rôle dans la détermination des propriétés du matériau. Au lieu, les noyaux se manifestent clairement par leur vibration. La forme et l'amplitude des vibrations, qui est spécifiquement appelé un phonon, sont un autre facteur dominant déterminant les propriétés du matériau en plus de la charge et du spin des électrons.

De nos jours, les chercheurs se sont concentrés sur les structures élémentaires des matériaux dans le but de miniaturiser à terme les unités magnétiques ou les dispositifs électroniques. Graphène, la monocouche de carbone, et la monocouche de dichalcogénure de métal de transition (TMDC) sont des exemples de premier ordre dans cette perspective. La question de savoir si les spins de ces matériaux bidimensionnels (2D) peuvent être alignés pour former un aimant ou avec quelle sensibilité ils sont affectés par les phonons reste une question importante. Dans leur étude, en prenant du MoS2 et d'autres TMDC comme échantillon, l'équipe de recherche a étudié comment la structure de spin peut être modifiée par la présence d'un phonon. Des calculs intensifs de supercalcul des équations de la mécanique quantique ont montré que, lorsqu'un matériau présente un couplage fort entre le spin et l'état orbital de ses électrons, un phonon particulier peut dériver une dynamique de spin de la même manière qu'un champ magnétique tournant.

Cet effet repose sur un concept fondamental de la physique théorique appelé brisure de symétrie. Surtout dans les cristaux, les symétries des arrangements des atomes jouent un rôle décisif, et la rupture de l'un d'eux entraîne souvent des changements dramatiques dans les propriétés du matériau. La symétrie d'un système n'implique pas seulement l'espace, mais peut aussi s'étendre dans le temps. Dans ce qu'on appelle la symétrie de retournement du temps, la physique observée serait la même si l'on avance ou recule dans le temps. Par exemple, dans une vidéo de deux boules de billard en collision, vous ne pouvez pas dire si la vidéo avance ou recule à cause de la symétrie. Cependant, en présence d'un champ magnétique, le mouvement des électrons ne peut pas être trompé de cette manière car son état d'avance n'est plus symétrique à celui de recul.

Au lieu d'un champ magnétique, de nombreux chercheurs ont récemment utilisé un photon polarisé circulairement, ou un état tournant de la lumière, briser la symétrie d'inversion du temps. Dans leur étude, au lieu d'un photon, ils ont utilisé le mouvement de rotation des atomes dans un cristal, c'est-à-dire le phonon circulaire, comme nouveau type de mécanisme de rupture à inversion du temps. L'équipe de recherche a montré que de tels phonons peuvent être comparés à la présence du champ magnétique et peuvent être utilisés pour une manipulation rapide des unités magnétiques des matériaux 2D élémentaires.