Des chercheurs de Northeastern ont découvert un nouveau phénomène quantique dans une classe spécifique de matériaux, appelés isolants antiferromagnétiques, qui pourrait offrir de nouvelles façons d'alimenter la "spintronique" et d'autres dispositifs technologiques du futur.

La découverte éclaire "comment la chaleur circule dans un isolant magnétique, [et] comment [les chercheurs] peuvent détecter ce flux de chaleur", explique Gregory Fiete, professeur de physique à Northeastern et co-auteur de la recherche. Les nouveaux effets, publiés dans Nature Physics cette semaine et démontré expérimentalement, ont été observés en combinant de la ferrite de lanthane (LaFeO₃ ) avec une couche de platine ou de tungstène.

"C'est ce couplage en couches qui est responsable du phénomène", explique Arun Bansil, professeur universitaire distingué au Département de physique de Northeastern, qui a également participé à l'étude.

La découverte peut avoir de nombreuses applications potentielles, telles que l'amélioration des capteurs de chaleur, le recyclage de la chaleur perdue et d'autres technologies thermoélectriques, explique Bansil. Ce phénomène pourrait même conduire au développement d'une nouvelle source d'énergie pour ces technologies naissantes et d'autres. Matt Matzelle, étudiant diplômé du Nord-Est, et Bernardo Barbiellini, physicien informatique et théorique à l'Université de technologie de Lappeenranta, qui visite actuellement le Nord-Est, ont participé à la recherche.

Illustrer les découvertes des équipes nécessite un grossissement considérable (littéralement) pour observer le monde des particules à l'échelle atomique, en particulier à la nano-vie des électrons. Cela nécessite également une compréhension de plusieurs propriétés des électrons - qu'ils possèdent quelque chose appelé "spin", qu'ils ont une charge et qu'ils peuvent, lorsqu'ils se déplacent à travers un matériau, générer un flux de chaleur.

Le spin électronique, ou moment cinétique, décrit une propriété fondamentale des électrons définie dans l'un des deux états potentiels :vers le haut ou vers le bas. Il existe de nombreuses façons différentes pour que ces spins "vers le haut ou vers le bas" des électrons (également considérés comme des pôles nord-sud) s'orientent dans l'espace, ce qui à son tour donne lieu à différents types de magnétismes. Tout dépend, dit Bansil, de la manière dont les atomes sont structurés dans un matériau donné.

Dans un système magnétique, les spins de ce matériau se sont généralement alignés dans la même direction. Cet arrangement d'électrons dans les cristaux magnétiques (ou "ferromagnétiques") est ce qui produit cette force qui attire ou repousse d'autres cristaux. De nombreux matériaux magnétiques conduisent également l'électricité lorsque les électrons peuvent les traverser. Ces matériaux sont appelés conducteurs, car ils sont capables de conduire l'électricité.

En plus de générer un courant électrique, le mouvement des électrons à travers un matériau transporte également un courant thermique. Lorsqu'un champ électromagnétique externe est appliqué à des matériaux conducteurs d'électricité, un courant de chaleur en résulte.

"La chaleur se produit juste au moment où ces électrons s'agitent plus rapidement ou plus lentement, de sorte qu'ils peuvent transporter plus ou moins d'énergie thermique", explique Bansil.

Habituellement, le courant de spin circule dans la même direction que le courant thermique, dit Bansil. Mais, dans les matériaux spécifiques utilisés dans cette étude, "il s'écoule perpendiculairement à la direction du courant de chaleur."

"C'est ce qui est nouveau ici", dit Bansil.

C'est cette interaction « inattendue » qui ouvre la porte à de nouvelles façons de penser la production d'électricité.

"Ce que nous voulons faire, c'est créer un courant de magnétisme qui génère de l'énergie électrique, et la façon dont vous le faites est de générer une tension", explique Fiete.

Pour ce faire, les chercheurs ont combiné le matériau isolant antiferromagnétique (ici LaFeO3) avec un autre élément plus lourd, comme le platine ou le tungstène, qui sont des conducteurs. Le couplage dévie légèrement les électrons.

"Ce matériau particulier a des spins qui sont, sur les atomes voisins les plus proches, presque parfaitement anti-orientés", dit Fiete, "ce qui signifie qu'ils sont un peu inclinés. Ils ne sont pas parfaitement anti-orientés - ils le sont pour la plupart, mais il y a une petite torsion. Et ce petit décalage est en fait très important, car il fait partie de ce qui donne lieu aux effets intéressants que nous voyons dans le projet."

C'est ce qui donne son nom à cette classe particulière de matériaux :l'antferromagnétique incliné.

Une classe émergente d'appareils électroniques, appelés "spintronique", s'appuie sur la manipulation du spin des électrons dans le but d'améliorer les capacités de traitement de l'information dans les technologies futures. Un autre domaine connexe, appelé caloritronique de spin, se concentre sur "comment vous convertissez le flux de chaleur en flux de magnétisme, ou flux de spin, et finalement en tension", explique Fiete.

"La physique quantique des matériaux présente un intérêt particulier car elle est directement liée à de nombreuses technologies :technologies de l'informatique quantique, de la détection quantique et des communications quantiques", explique Fiete. "Et l'idée qui gagne vraiment du terrain… en ce moment est la suivante :comment faire passer la recherche de l'université, comme celle dans laquelle mon équipe est impliquée, à des technologies qui auront un impact sur la façon dont nous vivons nos vies ?" + Explorer plus loin

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