Dans de nombreux matériaux, résistance électrique et variation de tension en présence d'un champ magnétique, variant généralement en douceur lorsque le champ magnétique tourne. Cette réponse magnétique simple sous-tend de nombreuses applications, notamment la détection de courant sans contact, détection de mouvement, et stockage de données. Dans un cristal, la façon dont la charge et le spin de ses électrons s'alignent et interagissent sous-tend ces effets. En utilisant la nature de l'alignement, appelé symétrie, est un ingrédient clé dans la conception d'un matériau fonctionnel pour l'électronique et le domaine émergent de l'électronique à base de spin (spintronique).

Récemment, une équipe de chercheurs du MIT, le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et l'École Normale Supérieure (ENS) de Lyon, Université de Californie à Santa Barbara (UCSB), l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST), et NIST Center for Neutron Research, dirigé par Joseph G. Checkelsky, professeur assistant de physique au MIT, a découvert un nouveau type de réponse électrique à commande magnétique dans un cristal composé de cérium, aluminium, germanium, et silicium.

À des températures inférieures à 5,6 kelvins (correspondant à -449,6 degrés Fahrenheit), ces cristaux montrent une nette amélioration de la résistivité électrique lorsque le champ magnétique est aligné avec précision dans un angle de 1 degré le long de la direction de symétrie élevée du cristal. Cet effet, que les chercheurs ont nommé « magnétorésistance angulaire singulière, " peut être attribuée à la symétrie - en particulier, l'ordre des moments magnétiques des atomes de cérium. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue Science .

Nouvelle réponse et symétrie

Comme une horloge à l'ancienne conçue pour sonner à 12h00 et à aucune autre position des aiguilles, la magnétorésistance nouvellement découverte ne se produit que lorsque la direction, ou vecteur, du champ magnétique est pointé droit en ligne avec l'axe de haute symétrie dans la structure cristalline du matériau. Éloignez le champ magnétique de plus d'un degré de cet axe et la résistance chute brutalement.

"Plutôt que de répondre aux composants individuels du champ magnétique comme un matériau traditionnel, ici le matériau répond à la direction absolue du vecteur, " dit Takehito Suzuki, un chercheur du groupe Checkelsky qui a synthétisé ces matériaux et découvert l'effet. « La nette amélioration observée, que nous appelons magnétorésistance angulaire singulière, implique un état distinct réalisé seulement dans ces conditions.

La magnétorésistance est une modification de la résistance électrique d'un matériau en réponse à un champ magnétique appliqué. Un effet connexe connu sous le nom de magnétorésistance géante est à la base des disques durs informatiques modernes et ses découvreurs ont reçu le prix Nobel en 2007.

"L'amélioration observée est si fortement confinée avec le champ magnétique le long de l'axe cristallin dans ce matériau qu'elle suggère fortement que la symétrie joue un rôle critique, " Lucile Savary, chercheur permanent CNRS à l'ENS de Lyon, ajoute. Savary a été boursier postdoctoral Betty et Gordon Moore au MIT de 2014 à 2017, lorsque l'équipe a commencé à collaborer.

Pour élucider le rôle de la symétrie, il est crucial de voir l'alignement des moments magnétiques, pour laquelle Suzuki et Jeffrey Lynn, membre du NIST, réalisé des études de diffraction des neutrons sur poudre sur le spectromètre à trois axes BT-7 au NIST Center for Neutron Research (NCNR). L'équipe de recherche a utilisé les capacités de diffraction des neutrons du NCNR pour déterminer la structure magnétique du matériau, qui joue un rôle essentiel dans la compréhension de ses propriétés topologiques et de la nature des domaines magnétiques. Un "état topologique" est un état qui est protégé du désordre ordinaire. Ce fut un facteur clé pour démêler le mécanisme de la réponse singulière.

Sur la base du modèle de commande observé, Savary et Léon Balents, professeur et membre permanent du Kavli Institute of Theoretical Physics à l'UCSB, construit un modèle théorique où la rupture de symétrie spontanée causée par l'ordre du moment magnétique se couple au champ magnétique et à la structure électronique topologique. Conséquence du couplage, la commutation entre les états de résistivité faible et élevée uniformément ordonnés peut être manipulée par le contrôle précis de la direction du champ magnétique.

"L'accord du modèle avec les résultats expérimentaux est remarquable et a été la clé pour comprendre ce qu'était une mystérieuse observation expérimentale, " dit Checkelsky, l'auteur principal de l'article.

Universalité du phénomène

"La question intéressante ici est de savoir si la magnétorésistance angulaire singulière peut être largement observée dans les matériaux magnétiques et, si cette caractéristique peut être observée de manière ubiquitaire, quel est l'ingrédient clé pour l'ingénierie des matériaux avec cet effet, " dit Suzuki.

Le modèle théorique indique que la réponse singulière peut en effet être trouvée dans d'autres matériaux et prédit les propriétés des matériaux bénéfiques pour la réalisation de cette caractéristique. L'un des ingrédients importants est une structure électronique avec un petit nombre de charges gratuites, qui se produit dans une structure électronique ponctuelle appelée nodale. Le matériau de cette étude a des points dits Weyl qui permettent d'atteindre cet objectif. Dans de tels matériaux, les impulsions électroniques autorisées dépendent de la configuration de l'ordre magnétique. Un tel contrôle des impulsions de ces charges par le degré de liberté magnétique permet au système de prendre en charge des régions d'interface commutables où les impulsions ne correspondent pas entre des domaines d'ordre magnétique différent. Cette inadéquation conduit également à la forte augmentation de la résistance observée dans cette étude.

Cette analyse est également étayée par le calcul de la structure électronique des premiers principes effectué par Jianpeng Liu, professeur assistant de recherche à la HKUST, et Balents. En utilisant des éléments magnétiques plus traditionnels tels que le fer ou le cobalt, plutôt que du cérium de terre rare, peut offrir une voie potentielle vers une observation à plus haute température de l'effet de magnétorésistance angulaire singulier. L'étude a également exclu un changement dans l'arrangement des atomes, appelée transition de phase structurelle, comme cause du changement de résistivité du matériau à base de cérium.

Kenneth Burch, directeur du programme d'études supérieures et professeur agrégé de physique au Boston College, dont le laboratoire étudie les matériaux Weyl, note :« La découverte d'une sensibilité remarquable à l'angle magnétique est un phénomène complètement inattendu dans cette nouvelle classe de matériaux. Ce résultat suggère non seulement de nouvelles applications des semi-métaux de Weyl dans la détection magnétique, mais le couplage unique du transport électronique, chiralité et magnétisme. » La chiralité est un aspect des électrons lié à leur spin qui leur donne une orientation soit gaucher soit droitier.

La découverte de ce pic de résistance aigu mais étroitement confiné pourrait éventuellement être utilisée par les ingénieurs comme un nouveau paradigme pour les capteurs magnétiques. Remarques Checkelsky, "L'un des aspects passionnants des découvertes fondamentales en magnétisme est le potentiel d'adoption rapide de nouvelles technologies. Avec les principes de conception désormais en main, nous jetons un large filet pour trouver ce phénomène dans des systèmes plus robustes afin de libérer ce potentiel."