Parfois, une bonne théorie a juste besoin de bons matériaux pour la faire fonctionner. C'est le cas des découvertes récentes des physiciens de l'UT et de leurs collègues, qui a conçu un système magnétique bidimensionnel qui indique la possibilité d'appareils avec une sécurité et une efficacité accrues, en utilisant seulement une petite quantité d'énergie. En exploitant une symétrie cachée dans le matériau, leurs résultats soutiennent une théorie proposée pour la première fois il y a 20 ans.

Garder le contrôle sans perdre en flexibilité

Les gens connaissent le magnétisme depuis l'Antiquité mais apprennent encore comment il fonctionne, surtout à l'échelle quantique. Dans les ferromagnétiques, les atomes et leurs voisins ont des moments magnétiques (causés par le spin) qui s'alignent tous dans la même direction. Nous pouvons facilement contrôler cette direction par un champ magnétique externe. Dans les antiferromagnétiques, cependant, les moments magnétiques s'anti-alignent avec leurs voisins et alternent un par un. Cet alignement de spin microscopique protège parfaitement de tout champ magnétique externe et est caché du monde extérieur. Les antiferroaimants ont été découverts par Louis Néel en 1948, mais ont été décrits dans sa conférence Nobel de 1970 comme étant théoriquement intéressants mais technologiquement inutiles.

Jian Liu, professeur adjoint de physique, a expliqué que généralement les spins dans un antiferromagnétique peuvent tourner comme ils le souhaitent tant que l'anti-alignement est maintenu. Mais, si l'interaction entre les atomes est anisotrope, "il donnera au spin une certaine direction préférentielle." C'est l'interaction DM (Dzyaloshinskii-Moriya) provenant de l'effet relativiste, et Liu a expliqué qu'il fait deux choses. D'abord, il incline (ou incline) les vrilles légèrement à l'écart de l'anti-alignement parfait, ce qui est bien car cela signifie qu'un champ magnétique externe ne sera pas complètement blindé et peut se coupler aux spins inclinés, même s'ils sont décalés. Il y a un compromis, cependant, en ce que tandis que cette interaction permet le basculement, il épingle la direction.

« Donc, vous gagnez en contrôle, " Liu a dit, "mais vous perdez également un peu de flexibilité. Et cela s'équilibre."

Pour contourner ce problème, lui et une équipe de chercheurs ont exploité une symétrie de spin cachée :SU(2).

"SU(2) est en fait une terminologie que les théoriciens et les mathématiciens utilisent en théorie des groupes, " dit Liu. " Ce que cela signifie, c'est que le spin est isotrope - il peut pointer dans n'importe quelle direction que vous voulez. "

Pourtant comment, exactement, cette symétrie est-elle cachée ?

Liu a dit qu'il se cache si vous ne regardez les choses qu'à l'échelle locale.

"Par exemple, si vous vous asseyez à un tour, et tu regardes autour de toi, vous voyez un environnement très anisotrope, " expliqua-t-il. " En gros, les autres spins (vos voisins) vous disent que vous devez vous déverser (d'une certaine manière) pour être compatible avec eux. Si vous regardez à une échelle très globale - si vous considérez tous les spins - il s'avère que l'ensemble du système est parfaitement isotrope et préserve cette symétrie de rotation.

"Vous pouvez penser de cette façon, " il a continué, " il y a des centaines d'années, les gens pensaient que la terre était plate. C'est parce que nous étions assis à une échelle très locale. Nous pensions que si nous continuions à marcher dans une direction, nous ne reviendrons jamais au même point. Mais il s'avère que la terre est une sphère, donc si vous continuez à marcher vers le nord à un moment donné, vous passez le poteau puis vous revenez. Donc, si vous regardez la terre à l'échelle mondiale, vous voyez qu'il a une symétrie de rotation, que vous ne remarqueriez pas si vous étiez lié à la surface."

Ajouter juste assez d'espace

Le rôle de cette symétrie globale dans les systèmes antiferromagnétiques a en fait été prédit il y a deux décennies. Liu a dit que même si la théorie était fascinante, le matériel utilisé pour le tester n'était pas adapté à la tâche.

Pour leurs études, lui et ses collègues ont cultivé des échantillons à base de strontium, iridium, et l'oxygène (SrIrO3), ainsi que le strontium, titane, et de l'oxygène (SrTiO3) et, par dépôt laser pulsé, les a fait croître sur une couche de base de SrTiO3 d'une épaisseur d'un seul cristal. Ils se sont concentrés sur trois points :la chimie du matériau, préservation de la symétrie, et une couche supplémentaire cruciale. L'iridium s'est avéré être un choix important car il a fourni une forte interaction DM. La structure permet la symétrie cachée, en grande partie parce que l'équipe a séparé les couches avec un "espaceur" de SrTiO3 afin que chaque couche ait ses propres propriétés bidimensionnelles.

L'inspiration pour cette recherche est venue l'année dernière après que Liu et ses collègues scientifiques ont publié des résultats sur le contrôle des matériaux ultrafins dans Lettres d'examen physique . Il a expliqué qu'une fois qu'ils ont trouvé un moyen de séparer les couches pour explorer les propriétés bidimensionnelles intrinsèques, ils ont réalisé qu'ils avaient un matériau qui pourrait tester la théorie de la symétrie.

des systèmes plus sûrs ; Commutation plus rapide

Outre la découverte scientifique, ces derniers résultats de recherche présentent également le potentiel de contrôler l'antiferromagnétisme pour des appareils plus sûrs et plus efficaces.

Comme Liu l'a expliqué, la plupart des dispositifs magnétiques actuels sont basés sur des matériaux ferromagnétiques.

"Toutefois, nous arrivons à la limite des performances des ferromagnétiques, " at-il dit. "Nous devons trouver un autre moyen de surmonter la barrière technique. L'antiferromagnétisme offre une autre option. Par exemple, les matériaux antiferromagnétiques ont ce spin anti-aligné. Donc, si vous regardez un antiferromagnétique, il n'y a pas de champ magnétique autour. Il ne vous apparaît en fait pas différent d'un matériau qui n'est pas magnétique, car ils se compensent pleinement."

Qu'est-ce que cela signifie, il a continué, est que nous ne voulons pas que les bits du disque dur de notre ordinateur se rapprochent trop les uns des autres, car chaque bit est un ferromagnétique. Cela limite la densité du stockage des informations.

"Maintenant, si les bits sont antiferromagnétiques, ils seront magnétiquement invisibles les uns aux autres, et vous pouvez les emballer les uns à côté des autres, " at-il dit. " Essentiellement, la capacité de stockage augmentera considérablement. "

Un autre avantage possible est une commutation plus efficace des appareils.

Liu a déclaré que la commutation des spins vers le haut et vers le bas dans le ferromagnétique est un processus lent et coûteux en énergie car nous devons faire tourner son champ magnétique à une échelle macroscopique. Avec les spins anti-alignés dans les antiferromagnétiques sous la symétrie cachée, il a dit, "il n'affiche aucun champ magnétique, et nous avons juste besoin d'appliquer un peu d'énergie pour l'allumer et l'éteindre ou le faire pivoter. La quantité d'énergie que nous mettons dans le système est très petite par rapport à l'énergie d'auto-anti-alignement, mais les spins répondent toujours instantanément, et cela rend le processus de changement beaucoup plus rapide."

L'importance de la collaboration et de l'investissement

Les premiers résultats sont très encourageants, pourtant, l'équipe expérimentale voulait une vérification supplémentaire.

"Au tout début, nous ne pouvions pas croire ce que nous avons vu parce que les effets étaient vraiment forts et la quantité d'énergie que vous mettez dans le système est un millième de (son) énergie interne, " expliqua-t-il. " Cela semble presque trop beau pour être vrai. "

Pour validation, ils ont posé leurs questions au professeur de physique de l'UT (et président de Lincoln) Cristian Batista, un théoricien de la physique de la matière condensée.

"Il nous a guidés à travers tous les détails de la théorie et il est venu avec l'explication :pas seulement qualitativement mais réellement quantitativement, " a déclaré Liu. " Il a fait la simulation et a constaté que tout correspondait parfaitement aux exigences de cette théorie de la symétrie cachée. "

Les résultats ont été publiés dans Physique de la nature .