Le magnétisme se produit en fonction du comportement des électrons. Par exemple, les particules élémentaires peuvent générer un courant électrique avec leur charge et ainsi induire un champ magnétique. Cependant, le magnétisme peut également résulter de l’alignement collectif des moments magnétiques (spins) dans un matériau. Ce qui n'a pas été possible jusqu'à présent, cependant, c'est de modifier continuellement le type de magnétisme d'un cristal.

C'est exactement ce qu'une équipe de recherche internationale dirigée par le professeur Andrej Pustogow de la TU Wien a réussi à faire :modifier le magnétisme « en appuyant sur un bouton ». Pour cela, l’équipe a continuellement modifié les interactions magnétiques dans un monocristal en appliquant une pression. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans Physical Review Letters. .

Les gens sont fascinés par le magnétisme depuis des milliers d’années et il a rendu possibles de nombreuses applications techniques. Des boussoles aux moteurs électriques en passant par les générateurs, ces appareils et d'autres n'existeraient pas sans le ferromagnétisme.

Si le ferromagnétisme est déjà bien étudié, la recherche fondamentale s’intéresse de plus en plus à d’autres formes de magnétisme. Ceux-ci présentent un intérêt particulier pour le stockage sécurisé des données et comme plates-formes potentielles pour les ordinateurs quantiques. "Cependant, rechercher de nouvelles formes de magnétisme et les contrôler pleinement est une entreprise extrêmement difficile", déclare Andrej Pustogow, responsable de l'étude.

Les spins peuvent être visualisés comme de petites aiguilles de boussole qui peuvent s’aligner dans un champ magnétique externe et avoir elles-mêmes un champ magnétique. Dans le cas du ferromagnétisme, utilisé dans les aimants permanents, tous les spins électroniques s'alignent parallèlement les uns aux autres. Dans certains arrangements de spins électroniques, par exemple dans des réseaux cristallins carrés ordinaires de type damier, un alignement antiparallèle des spins est également possible :les spins voisins pointent toujours alternativement dans des directions opposées.

Avec les réseaux triangulaires (ou les réseaux dans lesquels apparaissent des structures triangulaires, comme le réseau kagome plus complexe), un arrangement complètement antiparallèle n'est pas possible :si deux coins d'un triangle ont des directions de rotation opposées, le côté restant doit correspondre à l'une des deux directions. . Les deux options (tourner vers le haut ou vers le bas) sont alors exactement équivalentes.

"Cette possibilité de multiples alternatives identiques est connue sous le nom de" frustration géométrique "et se produit dans les structures cristallines avec des spins électroniques disposés en réseaux triangulaires, kagome ou en nid d'abeilles", explique le physicien du solide Pustogow. En conséquence, des paires de tours disposées de manière aléatoire sont formées, certains tours ne trouvant pas du tout de partenaire.

"Les moments magnétiques non appariés restants pourraient être intriqués les uns avec les autres, manipulés avec des champs magnétiques externes et ainsi utilisés pour le stockage de données ou des opérations de calcul dans des ordinateurs quantiques", explique Pustogow.

"Dans les matériaux réels, nous sommes encore loin d'un tel état de frustration idéale. Tout d'abord, nous devons pouvoir contrôler avec précision la symétrie du réseau cristallin et donc les propriétés magnétiques", explique Pustogow. Bien que des matériaux présentant une forte frustration géométrique puissent déjà être produits, un changement continu d'une frustration faible à une frustration forte et vice versa n'a pas encore été possible, surtout pas dans un seul et même cristal.

Afin de modifier le magnétisme du matériau étudié « en appuyant sur un bouton », les chercheurs ont mis le cristal sous pression. Partant d'une structure kagome, le réseau cristallin a été déformé par une contrainte uniaxiale, ce qui a modifié les interactions magnétiques entre les électrons.

"Nous utilisons une pression mécanique pour forcer le système dans une direction magnétique préférée. Comme parfois dans la vraie vie, le stress réduit la frustration car une décision nous est imposée et nous n'avons pas à la prendre nous-mêmes", explique Pustogow.

L’équipe a réussi à augmenter la température de transition de phase magnétique de plus de 10 %. "Cela peut sembler peu à première vue, mais si le point de congélation de l'eau était augmenté de 10 %, par exemple, elle gèlerait à 27°C, avec de graves conséquences pour le monde tel que nous le connaissons", explique Pustogow.

Alors que dans le cas actuel, la frustration géométrique a été réduite par la pression mécanique, l’équipe de recherche vise désormais une augmentation de la frustration afin d’éliminer complètement l’antiferromagnétisme et de réaliser un liquide à spin quantique comme décrit ci-dessus. "La possibilité de contrôler activement la frustration géométrique grâce à une contrainte mécanique uniaxiale ouvre la porte à des manipulations insoupçonnées des propriétés des matériaux 'en appuyant sur un bouton'", explique Pustogow.

Plus d'informations : Jierong Wang et al, Libération contrôlée de frustration sur le réseau Kagome par réglage de contrainte uniaxiale, Lettres d'examen physique (2023). DOI :10.1103/PhysRevLett.131.256501. Sur arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.08613

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique , arXiv

Fourni par l'Université de technologie de Vienne