Une équipe de chercheurs de l'Université Technique de Munich, l'Institut Walther-Meissner de l'Académie bavaroise des sciences et des sciences humaines, et l'Université norvégienne des sciences et de la technologie de Trondheim a découvert une méthode passionnante pour contrôler le spin porté par des excitations quantifiées d'ondes de spin dans des isolants antiferromagnétiques.

Les particules élémentaires portent un moment angulaire intrinsèque connu sous le nom de spin. Pour un électron, le spin ne peut prendre que deux valeurs particulières par rapport à un axe de quantification, en les désignant comme des électrons de spin-up et de spin-down. Cette double valeur intrinsèque du spin électronique est au cœur de nombreux effets fascinants en physique.

Dans les technologies de l'information d'aujourd'hui, le spin d'un électron et le moment magnétique associé sont exploités dans des applications de stockage d'informations et de lecture de supports magnétiques, comme les disques durs et les bandes magnétiques.

Antiferroaimants :futures étoiles dans le stockage de données magnétiques ?

Les deux, les supports de stockage et les capteurs de lecture utilisent des matériaux commandés ferromagnétiquement, où tous les moments magnétiques sont parallèles. Cependant, les moments peuvent s'orienter de manière plus complexe. Dans les antiferromagnétiques, l'antagoniste d'un ferromagnétique, les moments voisins s'alignent de manière anti-parallèle. Bien que ces systèmes semblent « non magnétiques » de l'extérieur, ils ont attiré une large attention car ils promettent une robustesse contre les champs magnétiques externes et un contrôle plus rapide. Ainsi, ils sont considérés comme les nouveaux venus pour les applications de stockage magnétique et d'informatique non conventionnelle.

Une question importante dans ce contexte est, si et comment l'information peut être transportée et détectée dans les antiferromagnétiques. Chercheurs de l'Université technique de Munich, l'Institut Walther-Meissner et l'Université norvégienne des sciences et de la technologie de Trondheim ont étudié l'hématite isolante antiferromagnétique à cet égard.

Dans ce système, les porteurs de charge sont absents et c'est donc un banc d'essai particulièrement intéressant pour l'étude de nouvelles applications, où l'on vise à éviter la dissipation par une résistance électrique finie. Les scientifiques ont découvert un nouvel effet unique au transport d'excitations antiferromagnétiques, qui ouvre de nouvelles possibilités pour le traitement de l'information avec des antiferromagnétiques.

Libérer le pseudospin dans les antiferromagnétiques

Dr Matthias Althammer, le chercheur principal du projet décrit l'effet comme suit :« Dans la phase antiferromagnétique, les spins voisins sont alignés de manière anti-parallèle. Cependant, il existe des excitations quantifiées appelées magnons. Ceux-ci portent des informations codées dans leur spin et peuvent se propager dans le système. En raison des deux espèces de spin couplées en antiparallèle dans l'antiferromagnétique, l'excitation est de nature complexe, cependant, ses propriétés peuvent être coulées dans un spin efficace, un pseudo-tour. Nous pourrions démontrer expérimentalement que nous pouvons manipuler ce pseudospin, et sa propagation avec un champ magnétique."

Dr Akashdeep Kamra, le théoricien principal de NTNU à Trondheim ajoute que "cette cartographie des excitations d'un antiferromagnétique sur un pseudospin permet une compréhension et une approche puissante qui a été la base cruciale pour traiter les phénomènes de transport dans les systèmes électroniques. Dans notre cas, cela nous permet de décrire plus facilement la dynamique du système, tout en conservant une description quantitative complète du système. Plus important encore, les expériences fournissent une preuve de concept pour le pseudospin, un concept qui est étroitement lié à la mécanique quantique fondamentale."

Exploiter tout le potentiel des magnons antiferromagnétiques

Cette première démonstration expérimentale de la dynamique du pseudospin du magnon dans un isolant antiferromagnétique confirme non seulement les conjectures théoriques sur le transport du magnon dans les antiferromagnétiques, mais fournit également une plate-forme expérimentale pour s'étendre vers des phénomènes inspirés de l'électronique riche.

"Nous pourrons peut-être réaliser de nouvelles choses fascinantes telles que l'analogue magnon d'un isolant topologique dans des matériaux antiferromagnétiques", souligne Rudolf Gross, directeur de l'Institut Walther-Meissner, Professeur de physique technique (E23) à l'Université technique de Munich et co-conférencier du pôle d'excellence Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST). "Nos travaux offrent une perspective passionnante pour les applications quantiques basées sur les magnons dans les antiferroaimants"