Ce cristal « semi-métal » est constitué de mailles unitaires répétitives comme celle de gauche, qui a un dessus carré et des côtés rectangulaires. Les sphères représentent le silicium (violet), aluminium (turquoise), et — dans l'or — des atomes de néodyme (Nd), dont les derniers sont magnétiques. Comprendre les propriétés magnétiques particulières du matériau nécessite neuf de ces cellules unitaires, montré comme le plus grand bloc à droite (qui a une seule cellule unitaire encadrée en rouge). Ce bloc 3x3 montre des électrons verts « Weyl » voyageant en diagonale sur le dessus des cellules et affectant l'orientation du spin magnétique des atomes de Nd. Une propriété particulière de l'électron de Weyl est le verrouillage de sa direction de spin, qui soit parallèle ou antiparallèle à la direction de son mouvement, comme représenté par les petites flèches dans les électrons de Weyl. Comme ces électrons voyagent le long des quatre atomes d'or Nd, les Nd spins se réorientent en une « spirale de spin » que l'on peut imaginer comme pointant successivement dans le sens 12h (le plus proche du spectateur avec la flèche rouge pointant vers le haut), 4 heures (flèche bleue), 8 heures (également en bleu) et à nouveau 12 heures (le plus éloigné du spectateur et à nouveau en rouge). Des lignes d'atomes de Nd s'étendent à travers de nombreuses couches du cristal, offrant de nombreux exemples de ce motif magnétique inhabituel. Crédit :N. Hanacek/NIST
Une forme exotique de magnétisme a été découverte et liée à un type d'électrons tout aussi exotique, selon les scientifiques qui ont analysé un nouveau cristal dans lequel ils apparaissent au National Institute of Standards and Technology (NIST). Le magnétisme est créé et protégé par la structure électronique unique du cristal, offrant un mécanisme qui pourrait être exploité pour rapide, dispositifs de stockage d'informations robustes.
Le matériau nouvellement inventé a une structure inhabituelle qui conduit l'électricité mais fait que les électrons qui circulent se comportent comme des particules sans masse, dont le magnétisme est lié à la direction de leur mouvement. Dans d'autres matériaux, de tels électrons de Weyl ont suscité de nouveaux comportements liés à la conductivité électrique. Dans ce cas, cependant, les électrons favorisent la formation spontanée d'une spirale magnétique.
"Nos recherches montrent un exemple rare de ces particules entraînant le magnétisme collectif, " a déclaré Collin Broholm, un physicien de l'Université Johns Hopkins qui a dirigé les travaux expérimentaux au NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Notre expérience illustre une forme unique de magnétisme qui peut provenir des électrons de Weyl."
Les résultats, qui apparaissent dans Matériaux naturels , révéler une relation complexe entre la matière, les électrons qui le traversent sous forme de courant et le magnétisme que présente le matériau.
Dans un aimant de réfrigérateur, nous imaginons parfois chacun de ses atomes de fer comme ayant un barreau magnétique le perçant avec son pôle « nord » pointant dans une certaine direction. Cette image fait référence aux orientations de spin des atomes, qui s'alignent en parallèle. Le matériau étudié par l'équipe est différent. C'est un "semi-métal" composé de silicium et des métaux aluminium et néodyme. Ensemble, ces trois éléments forment un cristal, ce qui implique que ses atomes composants sont disposés selon un motif répétitif régulier. Cependant, c'est un cristal qui brise la symétrie d'inversion, ce qui signifie que le motif répétitif est différent d'un côté des cellules unitaires d'un cristal - le plus petit élément constitutif d'un réseau cristallin - que de l'autre. Cet arrangement stabilise les électrons circulant à travers le cristal, qui à leur tour entraînent un comportement inhabituel dans son magnétisme.
La stabilité des électrons se manifeste par une uniformité dans la direction de leurs spins. Dans la plupart des matériaux conducteurs d'électricité, comme le fil de cuivre, les électrons qui traversent le fil ont des spins qui pointent dans des directions aléatoires. Ce n'est pas le cas dans le semi-métal, dont la symétrie brisée transforme les électrons qui circulent en électrons de Weyl dont les spins sont orientés soit dans la direction de déplacement de l'électron, soit dans la direction exactement opposée. C'est ce verrouillage des spins des électrons de Weyl dans leur direction de mouvement - leur quantité de mouvement - qui provoque le comportement magnétique rare du semi-métal.
Les trois types d'atomes du matériau conduisent tous l'électricité, fournissant des tremplins pour les électrons lorsqu'ils sautent d'atome en atome. Cependant, seuls les atomes de néodyme (Nd) présentent du magnétisme. Ils sont sensibles à l'influence des électrons de Weyl, qui poussent l'atome Nd à tourner de façon curieuse. Regardez le long de n'importe quelle rangée d'atomes Nd qui s'étend en diagonale à travers le semi-métal, et vous verrez ce que l'équipe de recherche appelle une "spirale de rotation".
"Une façon simplifiée d'imaginer que c'est le spin du premier atome Nd à 12 heures, puis la suivante à 4 heures, puis le troisième à 8 heures, " dit Broholm. " Puis le schéma se répète. Cette belle "texture" de spin est entraînée par les électrons de Weyl lorsqu'ils visitent les atomes de Nd voisins."
Il a fallu une collaboration entre de nombreux groupes au sein de l'Institute for Quantum Matter de l'Université Johns Hopkins pour révéler le magnétisme spécial qui se produit dans le cristal. Il comprenait des groupes travaillant sur la synthèse des cristaux, calculs numériques sophistiqués et expériences de diffusion de neutrons.
"Pour la diffusion des neutrons, nous avons grandement bénéficié de la grande quantité de temps de faisceau de diffraction des neutrons dont nous disposions au NIST Center for Neutron Research, " dit Jonathan Gaudet, l'un des co-auteurs de l'article. "Sans le temps de faisceau, nous aurions manqué ces belles nouvelles physiques."
Chaque boucle de la spirale de rotation mesure environ 150 nanomètres de long, et les spirales n'apparaissent qu'à des températures froides inférieures à 7 K. Broholm a déclaré qu'il existe des matériaux ayant des propriétés physiques similaires qui fonctionnent à température ambiante, et qu'ils pourraient être exploités pour créer des dispositifs de mémoire magnétique efficaces.
"La technologie de mémoire magnétique comme les disques durs nécessite généralement que vous créiez un champ magnétique pour qu'ils fonctionnent, " dit-il. " Avec cette classe de matériaux, vous pouvez stocker des informations sans avoir besoin d'appliquer ou de détecter un champ magnétique. La lecture et l'écriture électrique des informations sont plus rapides et plus robustes."
Comprendre les effets que les électrons de Weyl entraînent pourrait également faire la lumière sur d'autres matériaux qui ont semé la consternation des physiciens.
"Fondamentalement, nous pourrions peut-être créer une variété de matériaux qui ont des caractéristiques de rotation interne différentes - et peut-être que nous l'avons déjà, " a déclaré Broholm. " En tant que communauté, nous avons créé de nombreuses structures magnétiques que nous ne comprenons pas immédiatement. Ayant vu le caractère spécial du magnétisme médié par Weyl, nous pourrons peut-être enfin comprendre et utiliser de telles structures magnétiques exotiques."
