Les chercheurs ont obtenu la première preuve concluante d’une troisième classe insaisissable de magnétismeappelé altermagnétisme. Leurs conclusions, publiées le 11 décembre dans la revue Naturepourrait révolutionner la conception de nouveaux dispositifs de mémoire magnétique à grande vitesse et fournir la pièce manquante du puzzle dans le développement de meilleurs supraconducteur matériels.
« Nous avions auparavant deux types de magnétisme bien établis », auteur de l’étude Oliver Aminchercheur postdoctoral à l’Université de Nottingham au Royaume-Uni, a déclaré à Live Science. « Le ferromagnétisme, où les moments magnétiques, que vous pouvez imaginer comme de petites flèches de boussole à l’échelle atomique, pointent tous dans la même direction. Et l’antiferromagnétisme, où les moments magnétiques voisins pointent dans des directions opposées, vous pouvez l’imaginer davantage comme un échiquier de alternant carrelage blanc et noir. »
Les spins électroniques au sein d’un courant électrique doivent pointer dans l’une des deux directions et peuvent s’aligner avec ou contre ces moments magnétiques pour stocker ou transporter des informations, constituant ainsi la base des dispositifs de mémoire magnétique.
Une nouvelle forme de magnétisme
Matériaux altermagnétiques, théorisé pour la première fois en 2022ont une structure qui se situe quelque part entre les deux. Chaque moment magnétique individuel pointe dans la direction opposée à celle de son voisin, comme dans un matériau antiferromagnétique. Mais chaque unité est légèrement tordue par rapport à cet atome magnétique adjacent, ce qui lui confère des propriétés de type ferromagnétique.
Les alter-aimants combinent donc les meilleures propriétés des matériaux ferromagnétiques et antiferromagnétiques. « L’avantage des ferromagnétiques est que nous disposons d’un moyen simple de lire et d’écrire dans la mémoire en utilisant ces domaines ascendants ou descendants », co-auteur de l’étude Alfred Dal-Dindoctorant également à l’Université de Nottingham, a déclaré à Live Science. « Mais comme ces matériaux ont un magnétisme net, cette information est également facile à perdre en passant un aimant dessus. »
À l’inverse, les matériaux antiferromagnétiques sont beaucoup plus difficiles à manipuler pour le stockage d’informations. Cependant, comme ils ont un magnétisme net nul, les informations contenues dans ces matériaux sont beaucoup plus sécurisées et plus rapides à transporter. « Les alter-aimants ont la vitesse et la résilience d’un antiferromagnétique, mais ils possèdent également cette propriété importante des ferromagnétiques appelée rupture de symétrie par inversion du temps », a déclaré Dal Din.
Cette propriété hallucinante examine la symétrie des objets avançant et reculant dans le temps. « Par exemple, des particules de gaz volent, entrent en collision au hasard et remplissent l’espace », a déclaré Amin. « Si vous remontez le temps, ce comportement ne semble pas différent. »
Cela signifie que la symétrie est conservée. Cependant, comme les électrons possèdent à la fois un spin quantique et un moment magnétique, l’inversion du temps – et donc du sens de déplacement – inverse le spin, ce qui signifie que la symétrie est rompue. « Si vous regardez ces deux systèmes électroniques – l’un dans lequel le temps progresse normalement et l’autre dans lequel vous êtes en rembobinage – ils semblent différents, donc la symétrie est brisée », a expliqué Amin. « Cela permet à certains phénomènes électriques d’exister. »
Trouver « le chaînon manquant » de la supraconductivité
L’équipe – dirigée par Peter Wadleyprofesseur de physique à l’Université de Nottingham, a utilisé une technique appelée microscopie électronique à photoémission pour imager la structure et les propriétés magnétiques du tellurure de manganèse, un matériau autrefois considéré comme antiferromagnétique.
« Différents aspects du magnétisme s’illuminent en fonction de la polarisation des rayons X que nous choisissons », a déclaré Amin. La lumière polarisée circulairement a révélé les différents domaines magnétiques créés par la rupture de la symétrie par inversion temporelle, tandis que les rayons X polarisés horizontalement ou verticalement ont permis à l’équipe de mesurer la direction des moments magnétiques dans tout le matériau. En combinant les résultats des deux expériences, les chercheurs ont créé la toute première carte des différents domaines et structures magnétiques au sein d’un matériau altermagnétique.
Une fois cette preuve de concept en place, l’équipe a fabriqué une série de dispositifs altermagnétiques en manipulant les structures magnétiques internes grâce à une technique de cycle thermique contrôlé.
« Nous avons pu former ces textures de vortex exotiques dans des dispositifs hexagonaux et triangulaires », a déclaré Amin. « Ces vortex attirent de plus en plus l’attention en spintronique en tant que vecteurs potentiels d’informations. Il s’agissait donc d’un premier exemple intéressant de la façon de créer un dispositif pratique. »
Les auteurs de l’étude ont déclaré que la capacité d’imager et de contrôler cette nouvelle forme de magnétisme pourrait révolutionner la conception des dispositifs de mémoire de nouvelle génération, avec des vitesses de fonctionnement accrues, une résilience et une facilité d’utilisation améliorées.
« L’altermagnetisme contribuera également au développement de la supraconductivité », a déclaré Dal Din. « Depuis longtemps, il y a un trou dans les symétries entre ces deux zones, et cette classe de matériaux magnétiques restée jusqu’ici insaisissable s’avère être ce chaînon manquant du puzzle. »