Un nouveau venu s'ajoute désormais à la famille magnétique :grâce à des expériences à la Source de Lumière Suisse SLS, des chercheurs ont prouvé l'existence de l'altermagnétisme. La découverte expérimentale de cette nouvelle branche du magnétisme est rapportée dans Nature et signifie une nouvelle physique fondamentale, avec des implications majeures pour la spintronique.
Le magnétisme est bien plus que de simples choses qui collent au réfrigérateur. Cette compréhension est venue avec la découverte des antiferromagnétiques il y a près d'un siècle. Depuis, la famille des matériaux magnétiques s'est divisée en deux phases fondamentales :la branche ferromagnétique connue depuis plusieurs millénaires et la branche antiferromagnétique.
La preuve expérimentale d'une troisième branche du magnétisme, appelée altermagnétisme, a été réalisée à la Source de Lumière Suisse SLS, par une collaboration internationale dirigée par l'Académie tchèque des sciences en collaboration avec l'Institut Paul Scherrer PSI.
Les phases magnétiques fondamentales sont définies par les arrangements spontanés spécifiques des moments magnétiques (ou spins électroniques) et des atomes qui transportent les moments dans les cristaux.
Les ferromagnétiques sont le type d'aimants qui collent au réfrigérateur :ici, les rotations pointent dans la même direction, donnant un magnétisme macroscopique. Dans les matériaux antiferromagnétiques, les spins pointent dans des directions alternées, de sorte que les matériaux ne possèdent aucune magnétisation nette macroscopique et ne collent donc pas au réfrigérateur. Bien que d'autres types de magnétisme, tels que le diamagnétisme et le paramagnétisme, aient été classés, ceux-ci décrivent des réponses spécifiques à des champs magnétiques appliqués de l'extérieur plutôt que des ordres magnétiques spontanés dans les matériaux.
Les alter-aimants ont une combinaison spéciale d’arrangement de spins et de symétries cristallines. Les spins alternent, comme dans les antiferromagnétiques, ce qui n'entraîne aucune magnétisation nette. Pourtant, plutôt que de simplement s'annuler, les symétries donnent une structure de bande électronique avec une forte polarisation de spin qui change de direction lorsque vous traversez les bandes d'énergie du matériau, d'où le nom d'alter-aimants. Cela se traduit par des propriétés très utiles qui ressemblent davantage aux ferromagnétiques, ainsi que par des propriétés complètement nouvelles.
Ce troisième frère magnétique offre des avantages distincts pour le domaine en développement de la technologie de mémoire magnétique de nouvelle génération, connue sous le nom de spintronique. Alors que l'électronique utilise uniquement la charge des électrons, la spintronique exploite également l'état de spin des électrons pour transporter des informations.
Même si la spintronique promet depuis quelques années de révolutionner l'informatique, elle n'en est qu'à ses balbutiements. Généralement, des ferromagnétiques ont été utilisés pour de tels dispositifs, car ils offrent certains phénomènes physiques fortement dépendants du spin, hautement souhaitables. Pourtant, la magnétisation nette macroscopique, utile dans de nombreuses autres applications, pose des limites pratiques à l'évolutivité de ces dispositifs, car elle provoque une diaphonie entre les bits, les éléments porteurs d'informations dans le stockage de données.
Plus récemment, les antiferromagnétiques ont été étudiés pour la spintronique, car ils bénéficient de l'absence de magnétisation nette et offrent ainsi une ultra-évolutivité et une efficacité énergétique. Cependant, les forts effets dépendants du spin qui sont si utiles dans les ferromagnétiques font défaut, ce qui entrave encore une fois leur applicabilité pratique.
Ici entrent les alter-aimants avec le meilleur des deux :une magnétisation nette nulle ainsi que les phénomènes fortement convoités dépendant du spin que l'on trouve généralement dans les ferromagnétiques - des mérites qui étaient considérés comme principalement incompatibles.
"C'est la magie des alter-aimants", explique Tomáš Jungwirth de l'Institut de physique de l'Académie tchèque des sciences, chercheur principal de l'étude. "Ce que les gens croyaient impossible jusqu'à ce que de récentes prédictions théoriques [le montrent] est en fait possible."
Les rumeurs selon lesquelles un nouveau type de magnétisme se cachait ont commencé il n'y a pas si longtemps :en 2019, Jungwirth, en collaboration avec des collègues théoriciens de l'Académie tchèque des sciences et de l'Université de Mayence, a identifié une classe de matériaux magnétiques avec une structure de spin qui ne correspondait pas aux descriptions classiques. du ferromagnétisme ou de l'antiferromagnétisme.
En 2022, les théoriciens ont publié leurs prédictions sur l’existence de l’altermagnétisme. Ils ont découvert plus de deux cents candidats altermagnétiques dans des matériaux allant des isolants et semi-conducteurs aux métaux et supraconducteurs. Beaucoup de ces matériaux ont été bien connus et largement explorés dans le passé, sans que l’on remarque leur nature altermagnétique. En raison des énormes opportunités de recherche et d’application qu’offre l’altermagnétisme, ces prédictions ont suscité un grand enthousiasme au sein de la communauté. La recherche était lancée.
Pour obtenir une preuve expérimentale directe de l'existence de l'altermagnétisme, il fallait démontrer les caractéristiques uniques de symétrie de spin prédites dans les altermagnétismes. La preuve a été obtenue grâce à la spectroscopie de photoémission résolue en spin et en angle sur les lignes de lumière SIS (station finale COPHEE) et ADRESS du SLS. Cette technique a permis à l'équipe de visualiser une caractéristique révélatrice de la structure électronique d'un alter-aimant présumé :la division des bandes électroniques correspondant à différents états de spin, connue sous le nom de levée de la dégénérescence du spin de Kramer.
La découverte a été faite dans des cristaux de tellurure de manganèse, un matériau simple à deux éléments bien connu. Traditionnellement, le matériau a été considéré comme un antiferromagnétique classique car les moments magnétiques sur les atomes de manganèse voisins pointent dans des directions opposées, générant une magnétisation nette disparaissante.
Cependant, les antiferromagnétiques ne devraient pas présenter de dégénérescence de spin de Kramers élevée selon l'ordre magnétique, alors que les ferromagnétiques ou les alter-aimants devraient le faire. Lorsque les scientifiques ont constaté la disparition de la dégénérescence du spin de Kramer, accompagnée de la disparition de l'aimantation nette, ils ont su qu'ils avaient affaire à un alter-aimant.
"Grâce à la haute précision et à la sensibilité de nos mesures, nous avons pu détecter la division alternée caractéristique des niveaux d'énergie correspondant à des états de spin opposés et ainsi démontrer que le tellurure de manganèse n'est ni un antiferromagnétique classique ni un ferromagnétique classique mais appartient à la nouvelle branche altermagnétique. de matériaux magnétiques", déclare Juraj Krempasky, scientifique de la ligne de lumière au sein du groupe Beamline Optics au PSI et premier auteur de l'étude.
Les lignes de lumière qui ont permis cette découverte sont désormais démontées, en attente de la mise à niveau SLS 2.0. Après vingt ans de succès scientifique, la station finale COPHEE sera complètement intégrée à la nouvelle ligne de lumière « QUEST ». "C'est avec les derniers photons de lumière au COPHEE que nous avons réalisé ces expériences. Qu'elles aient donné lieu à une avancée scientifique aussi importante est très émouvant pour nous", ajoute Krempasky.
"Maintenant que nous l'avons mis en lumière, de nombreuses personnes dans le monde pourront y travailler."
Les chercheurs pensent que cette nouvelle découverte fondamentale dans le domaine du magnétisme enrichira notre compréhension de la physique de la matière condensée, avec un impact sur divers domaines de recherche et de technologie. En plus de ses avantages pour le domaine en développement de la spintronique, il offre également une plate-forme prometteuse pour explorer la supraconductivité non conventionnelle, grâce à de nouvelles connaissances sur les états supraconducteurs qui peuvent survenir dans différents matériaux magnétiques.
"L'altermagnetisme n'est en réalité pas quelque chose de très compliqué. C'est quelque chose de tout à fait fondamental qui était sous nos yeux pendant des décennies sans nous en rendre compte", explique Jungwirth. "Et ce n'est pas quelque chose qui existe seulement dans quelques matériaux obscurs. Il existe dans de nombreux cristaux que les gens avaient simplement dans leurs tiroirs. En ce sens, maintenant que nous l'avons mis en lumière, de nombreuses personnes dans le monde pourront travailler dessus, ce qui donne la possibilité d'avoir un large impact."
Plus d'informations : Juraj Krempaský, Levée altermagnétique de la dégénérescence du spin de Kramers, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-023-06907-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06907-7
Informations sur le journal : Nature
Fourni par l'Institut Paul Scherrer
