Des physiciens de l'Université d'Augsbourg ont réussi à distinguer des ordres chiraux présentant une magnétisation similaire mais un sens de rotation opposé grâce à des mesures électriques à basse température. Ceci est pertinent pour la recherche fondamentale sur les aimants complexes et les applications possibles du stockage de données magnétiques. Les résultats ont été publiés dans Nature Physics .
Les courants électriques et les forces magnétiques sont directement liés les uns aux autres :les câbles porteurs de courant créent un champ magnétique circulaire et vice versa, un champ magnétique dévie les particules chargées électriquement perpendiculairement au courant et à la direction du champ. Ce dernier phénomène est appelé « effet Hall » en l'honneur de son inventeur Edwin Hall.
L'effet Hall est utilisé pour sonder les propriétés électriques et magnétiques des métaux. L'"effet Hall normal" nous permet de déterminer la concentration des porteurs de chargeurs et leur mobilité tandis qu'une contribution supplémentaire appelée "effet Hall anormal" apparaît dans les aimants.
À l'Institut de physique de l'Université d'Augsbourg, on a découvert que l'effet Hall anormal pouvait révéler une symétrie cachée. "Malgré une magnétisation égale, deux états présentent des signaux Hall anormaux nettement différents, une observation surprenante et frappante", explique Philipp Gegenwart, professeur de physique expérimentale.
Les recherches ont été réalisées avec le métal magnétique HoAgGe, qui possède des propriétés magnétiques particulières découvertes il y a quatre ans par l'équipe du professeur Gegenwart. Le matériau présente une configuration triangulaire de spins électroniques atomiques d'atomes d'holmium.
Puisqu’il est impossible de réaliser simultanément toutes les interactions par paires sur chaque triangle, un état magnétiquement frustré apparaît. Il présente plusieurs configurations énergétiquement dégénérées par triangle et est appelé glace de spin Kagome. Les spins sont situés sur les bords de triangles partagés ressemblant à des paniers japonais tressés "Kagome". Des règles similaires qui s'appliquent à la glace d'eau déterminent les configurations possibles des moments magnétiques.
Contrairement aux aimants ordinaires, les moments magnétiques dans la glace de spin de Kagome ne sont pas alignés dans une direction mais obéissent plutôt à un motif chiral complexe, c'est-à-dire avec un sens de rotation différent. Ils sont créés dans un champ magnétique appliqué à basse température et présentent des plateaux de magnétisation fractionnés à des valeurs de 1/3 et 2/3. La figure ci-dessus montre deux de ces modèles avec une énergie similaire et 1/3 de la magnétisation de saturation chacun.
L'étude du groupe de recherche de l'Université d'Augsbourg a systématiquement étudié et analysé l'effet Hall anormal à basse température. Étonnamment, différentes valeurs de l'effet Hall anormal ont été trouvées pour les deux modèles de magnétisation 1/3, visibles sous forme de courbes rouges et noires dans le tracé de la figure ci-dessus.
La modélisation des données a révélé une symétrie cachée unique sous-jacente :la combinaison d'une rotation de 180° et d'une inversion de distorsion est nécessaire pour transformer un motif en un autre. Les électrons de conduction diffusés par les deux modèles différents entraînent des courbures différentes de la phase de leurs fonctions d'onde, ce qui conduit à une différence dans l'effet Hall anormal, malgré une énergie et une magnétisation similaires des deux modèles différents.
Plus généralement, cette observation indique un nouveau potentiel pour les mesures de l'effet Hall anormal dans les métaux magnétiquement frustrés, et pour la découverte de symétries et d'états cachés grâce à des mesures électriques. "Cela peut également être intéressant en ce qui concerne le stockage magnétique permanent de données à la plus petite échelle atomique", explique Gegenwart. Cependant, cela nécessite un adressage local et une commutation sélective du sens de rotation de ces motifs.
Plus d'informations : K. Zhao et al, Dégénérescences discrètes distinguées par l'effet Hall anormal dans un composé métallique de glace kagome, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02307-w
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par l'Université d'Augsbourg
