Le ferromagnétisme et l'antiferromagnétisme sont connus depuis longtemps par les scientifiques comme deux classes d'ordre magnétique des matériaux. En 2019, des chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) ont postulé une troisième classe de magnétisme, appelée altermagnétisme. Cet altermagnétisme fait depuis lors l'objet de débats houleux parmi les experts, certains exprimant des doutes quant à son existence.
Récemment, une équipe de chercheurs expérimentaux dirigée par le professeur Hans-Joachim Elmers du JGU a pu mesurer pour la première fois à DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) un effet considéré comme une signature de l'altermagnétisme, apportant ainsi la preuve de l'existence de ce troisième type de magnétisme. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Science Advances .
Alors que les ferromagnétiques, que nous connaissons tous grâce aux aimants de réfrigérateur, ont tous leurs moments magnétiques alignés dans la même direction, les antiferromagnétiques ont des moments magnétiques alternés. Ainsi, au niveau macroscopique, les moments magnétiques des antiferromagnétiques s'annulent, il n'y a donc pas de champ magnétique externe, ce qui ferait simplement tomber les aimants de réfrigérateur fabriqués à partir de ce matériau de la porte du réfrigérateur.
Les moments magnétiques dans les alter-aimants diffèrent par la manière dont ils sont orientés. "Les altermagnets combinent les avantages des ferromagnétiques et des antiferromagnétiques. Leurs moments magnétiques voisins sont toujours antiparallèles les uns aux autres, comme dans les antiferromagnétiques, il n'y a donc pas d'effet magnétique macroscopique, mais, en même temps, ils présentent un courant polarisé en spin, tout comme ferromagnétiques", a expliqué le professeur Hans-Joachim Elmers, chef du groupe Magnétisme à l'Institut de physique de JGU.
Les courants électriques génèrent généralement des champs magnétiques. Cependant, si l'on considère un alter-aimant dans son ensemble, intégrant la polarisation de spin dans les bandes électroniques dans toutes les directions, il devient évident que le champ magnétique doit être nul malgré le courant polarisé en spin. Si, d'un autre côté, l'attention se limite aux électrons qui se déplacent dans une direction particulière, la conclusion est qu'ils doivent avoir un spin uniforme.
"Ce phénomène d'alignement n'a rien à voir avec la disposition spatiale ou la localisation des électrons, mais uniquement avec la direction de la vitesse des électrons", a ajouté Elmers. Puisque la vitesse (v) multipliée par la masse (M) est égale à l'impulsion (P), les physiciens utilisent le terme « espace d'impulsion » dans ce contexte. Cet effet a été prédit dans le passé par des groupes théoriques de la JGU dirigés par le professeur Jairo Sinova et le Dr Libor Šmejkal.
"Notre équipe a été la première à vérifier expérimentalement cet effet", a déclaré Elmers. Les chercheurs ont utilisé un microscope à impulsion spécialement adapté. Pour leur expérience, l’équipe a exposé une fine couche de dioxyde de ruthénium aux rayons X. L'excitation des électrons qui en résultait était suffisante pour leur émission depuis la couche de dioxyde de ruthénium et leur détection.
Sur la base de la distribution de vitesse, les chercheurs ont pu déterminer la vitesse des électrons dans le dioxyde de ruthénium. Et en utilisant des rayons X polarisés circulairement, ils ont même pu déduire les directions de rotation.
Pour leur microscope à impulsion, les chercheurs ont modifié le plan focal normalement utilisé pour l'observation dans les microscopes électroniques standards. Au lieu d'une image agrandie de la surface du film d'oxyde de ruthénium, leur détecteur a montré une représentation de l'espace d'impulsion.
"Différentes impulsions apparaissent à différentes positions sur le détecteur. En termes plus simples, les différentes directions dans lesquelles les électrons se déplacent dans une couche sont représentées par des points correspondants sur le détecteur", a déclaré Elmers.
L'altermagnétisme peut également être pertinent pour la spintronique. Cela impliquerait d’utiliser le moment magnétique des électrons au lieu de leur charge dans une mémoire vive dynamique. En conséquence, la capacité de stockage pourrait être considérablement augmentée.
"Nos résultats pourraient constituer la solution à ce qui constitue un défi majeur dans le domaine de la spintronique", a suggéré Elmers. "Exploiter le potentiel des alter-aimants faciliterait la lecture des informations stockées basées sur la polarisation de spin dans les bandes électroniques."
Plus d'informations : Olena Fedchenko et al, Observation de la rupture de symétrie par inversion du temps dans la structure de bande du RuO 2 altermagnétique, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adj4883
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
Fourni par l'Université Johannes Gutenberg de Mayence
