Des chercheurs ont pour la première fois mesuré une propriété fondamentale des aimants appelée polarisation du magnon. progressent vers la construction d'appareils à faible consommation d'énergie.

L'existence de la polarisation magnon est une idée théorique en physique depuis près de 100 ans mais personne n'a prouvé son existence.

Des scientifiques de l'Université de Leeds et de l'Université de Tohoku au Japon ont tenté de montrer qu'il existe en le mesurant. Leurs résultats viennent d'être publiés dans la revue Lettres d'examen physique .

Les magnons sont des quasi-particules à l'intérieur de matériaux magnétiques qui sont dans un processus continu de création et de destruction. Ils sont polarisés ce qui permet ensuite de les distinguer en sens horaire ou antihoraire (polarisation circulaire), vers le haut ou vers le bas et vers la gauche ou la droite (polarisation linéaire).

Les propriétés de polarisation des magnons suscitent un vif intérêt car les physiciens pensent qu'elles pourraient être exploitées pour transporter des informations dans des dispositifs électriques à basse énergie, un domaine d'étude appelé spintronique.

Les scientifiques visaient à mesurer la polarisation du magnon dans l'un des aimants les plus fréquemment utilisés dans la recherche en spintronique, le grenat de fer composé d'yttrium. Dans de nombreux aimants, il n'existe que des magnons dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Mais dans le grenat de fer yttrium, des magnons polarisés à la fois dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et dans le sens des aiguilles d'une montre ont été prédits, ce qui en fait un matériau particulièrement passionnant à mesurer.

L'équipe a entrepris de faire cette mesure en utilisant la diffusion polarisée des neutrons. Cela implique de préparer des neutrons dans un état de spin quantique spécifique (« vers le haut » ou « vers le bas ») et de les tirer sur un aimant dans un faisceau focalisé.

Dans l'expérience, la plupart des neutrons sont passés directement à travers l'aimant, n'interagissant pas du tout, ce qui rend les mesures particulièrement difficiles. Mais, un petit nombre de neutrons est entré en collision avec des magnons et s'est dispersé hors de l'aimant dans toutes les directions. Un détecteur mesurait les neutrons lorsqu'ils sortaient de l'échantillon. En analysant l'emplacement, énergie et état de spin final des neutrons, les propriétés de magnon ont été révélées.

De manière cruciale dans ce travail, en comparant l'état de spin des neutrons avant et après la diffusion, la polarisation horaire ou antihoraire des magnons a été déterminée.

Dr Joseph Barker, de l'École de physique et d'astronomie de Leeds, a dit :« En physique, les théories restent des prédictions jusqu'à ce que les mesures expérimentales confirment si elles sont correctes ou non. Un exemple célèbre est la recherche du boson de Higgs, mais il existe de nombreuses théories non testées à travers les sciences.

"La polarisation de Magnon est récemment devenue un sujet important en spintronique, c'était donc le moment idéal pour essayer de la mesurer et vérifier qu'elle existe."

Le Dr Barker a ajouté :« Les expériences et les analyses étaient difficiles et complexes. En fait, il a fallu deux tentatives, une fois aux États-Unis puis en France, perfectionner la méthode expérimentale.

"Nous avons également dû créer un modèle informatique précis pour nous assurer que nous comprenions correctement ce que nous voyions, car les mesures de diffusion des neutrons proviennent d'une série de processus physiques qui ne peuvent pas être démêlés en parties individuelles."

Les chercheurs peuvent désormais concentrer leurs études sur la façon d'exploiter la polarisation des magnons pour fabriquer de nouveaux types de dispositifs spintroniques pour la technologie à basse énergie.

La recherche a été financée par la Royal Society, Bourse d'aide à la recherche scientifique de la Société japonaise pour la promotion de la science, JST ERATO, Programme GP-Spin de l'Université de Tohoku, Département américain de l'Énergie et programme de coopération États-Unis-Japon sur la diffusion des neutrons.