À la découverte d'une nouvelle physique fondamentale – Des expériences prouvent l'existence d'un nouveau type de magnétisme

Expériences sur une source lumineuse suisse SLS Prouver l’existence d’un nouveau type de magnétisme, avec de vastes implications pour la technologie et la recherche.

Un nouveau venu s'ajoute désormais à la famille magnétique : grâce à des expériences menées à la Source de Lumière Suisse SLS, des chercheurs ont prouvé l'existence d'un magnétisme alternatif. La découverte expérimentale de cette nouvelle branche du magnétisme a été rapportée dans nature Cela signifie une nouvelle physique fondamentale, avec des implications majeures pour la spintronique.

Le magnétisme est bien plus que de simples objets qui collent à votre réfrigérateur. Cette compréhension est venue avec la découverte des anti-aimants il y a près d’un siècle. Depuis, la famille des matériaux magnétiques s'est divisée en deux étapes fondamentales : la branche ferromagnétique connue depuis des milliers d'années et la branche antimagnétique. Des preuves expérimentales d'une troisième branche du magnétisme, appelée magnétisme alternatif, ont été fournies à la Source de Lumière Suisse (SLS), grâce à une collaboration internationale dirigée par l'Académie tchèque des sciences avec l'Institut Paul Scherrer (PSI).

Les phases magnétiques fondamentales sont déterminées par des arrangements spontanés spécifiques des moments magnétiques – ou spins électroniques – et des atomes porteurs des moments dans les cristaux. Les ferromagnétiques sont le type d'aimant qui colle à votre réfrigérateur : ici les rotations pointent dans la même direction, donnant un magnétisme microscopique. Dans les matériaux antiferromagnétiques, les spins pointent dans des directions alternées, ce qui fait que le matériau ne possède pas de réseau de magnétisation macroscopique et ne colle donc pas au réfrigérateur. Bien que d'autres types de magnétisme aient été classés, tels que le magnétisme et le paramagnétisme, ils décrivent des réponses spécifiques à des champs magnétiques appliqués de l'extérieur plutôt qu'un arrangement magnétique spontané dans les matériaux.

Découverte et propriétés des aimants de substitution

Les aimants de remplacement présentent une combinaison spéciale d’arrangement de spin et de symétries cristallines. Les spins alternent, comme dans les anti-aimants, ce qui n'entraîne aucune magnétisation nette. Cependant, au lieu de simplement annuler les symétries, les symétries donnent une structure de bande électronique avec une forte polarisation de spin qui fluctue dans la direction lorsque vous traversez les bandes d'énergie du matériau – d'où le nom d'aimants substituants. Cela se traduit par des propriétés très utiles similaires à celles des ferromagnétiques, ainsi que par des propriétés complètement nouvelles.

Dans la revue Nature, des chercheurs rapportent la découverte d’un nouveau type de magnétisme fondamental, appelé « magnétisme alternatif ». Ici, Juraj Krembaski, chercheur au PSI et premier auteur de la publication, se tient à la Source de Lumière Suisse SLS, où sont présentées des preuves expérimentales d'un magnétisme alternatif. Source : Institut Paul Scherrer / Mahir Dzambigovic

Implications pour la spintronique

Ce troisième frère magnétique offre des avantages distincts dans le domaine du développement de la prochaine génération de technologie de mémoire magnétique, connue sous le nom de spintronique. Alors que l’électronique utilise uniquement la charge des électrons, l’électronique de spin exploite également l’état de spin des électrons pour transmettre des informations.

Même si la spintronique promet depuis de nombreuses années de révolutionner les technologies de l’information, elle n’en est qu’à ses balbutiements. Généralement, les ferromagnétiques ont été utilisés pour de tels dispositifs, car ils offrent des phénomènes physiques forts dépendant du spin, hautement souhaitables. Cependant, la magnétisation macroscopique nette, utile dans de nombreuses autres applications, impose des limites pratiques à l'évolutivité de ces dispositifs, car elle provoque des interférences entre les éléments porteurs d'informations binaires dans le stockage de données.

Récemment, les anti-aimants ont été étudiés pour la spintronique, car ils tirent parti du manque de magnétisation nette et offrent ainsi une évolutivité et une efficacité énergétique supérieures. Cependant, les forts effets dépendants du spin, si utiles dans les ferromagnétiques, sont absents, ce qui entrave encore une fois leur applicabilité pratique.

Nous entrons ici dans le domaine des aimants alternatifs qui offrent le meilleur des deux : une magnétisation nette nulle, ainsi que les forts phénomènes dépendants du spin que l’on trouve généralement dans les ferromagnétiques – des avantages qui étaient considérés en principe incompatibles.

« C'est la magie des aimants alternatifs », explique Thomas Jungwirth de l'Institut de physique de l'Académie tchèque des sciences, chercheur principal de l'étude. « Quelque chose que les gens pensaient impossible jusqu'à ce que de récentes prédictions théoriques soient réellement possibles. »

Prédictions théoriques et vérification expérimentale

Les rumeurs sur l'existence d'un nouveau type de magnétisme ont commencé il n'y a pas si longtemps : en 2019, Jungwirth et ses collègues théoriciens de l'Académie tchèque des sciences et de l'Université de Mayence ont identifié une classe de matériaux magnétiques avec une structure de spin qui ne correspond pas aux descriptions classiques. . Ferromagnétisme ou antimagnétisme.

En 2022, des théoriciens ont publié leurs prédictions sur l’existence d’un magnétisme alternatif. Ils ont découvert plus de deux cents candidats au magnétisme alternatif dans des matériaux allant des isolants aux Semi-conducteursPour métaux et supraconducteurs. Beaucoup de ces matériaux étaient bien connus et largement explorés dans le passé, sans que leur nature magnétique alternative soit notée. Compte tenu des énormes opportunités de recherche et d’application présentées par le magnétisme alternatif, ces prédictions ont suscité un grand enthousiasme au sein de la communauté. La recherche était en cours.

L'obtention de preuves expérimentales directes de l'existence d'un magnétisme alternatif nécessite l'élucidation des propriétés uniques de symétrie de spin attendues dans les aimants alternatifs. La preuve a été obtenue grâce à la spectroscopie d'émission optique rotationnelle et angulaire au SIS (terminus du COPHEE) et aux lignes de lumière ADRESS du SLS. Cette technique a permis à l'équipe de visualiser une caractéristique claire dans la structure électronique d'un aimant alternatif présumé : la division des bandes électroniques correspondant à différents états de spin, connue sous le nom d'ascenseur de dégénérescence de spin de Cramer.

La découverte a été faite dans des cristaux de tellurure de manganèse, une substance simple à deux composants bien connue. Traditionnellement, le matériau a été considéré comme un ferromagnétique classique car les moments magnétiques sur les atomes de manganèse voisins pointent dans des directions opposées, générant une magnétisation nette évanescente.

Cependant, les anti-aimants ne devraient pas présenter une dégénérescence élevée du spin de Cramer dans l'ordre magnétique, contrairement aux ferromagnétiques ou aux aimants substituants. Lorsque les scientifiques ont constaté une augmentation de la désintégration du spin de Cramer, accompagnée d'une disparition de l'aimantation nette, ils ont su qu'ils cherchaient un aimant alternatif.

« 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, prouvant ainsi que le tellurure de manganèse n'est ni un antiferromagnétique classique ni un ferromagnétique classique mais appartient à la nouvelle branche du magnétisme alternatif», déclare Juraj Krembaski, chercheur sur la ligne de lumière au sein du groupe Beamline Optics Group au PSI et premier auteur de l'étude: «From Magnetic Materials».

Les lignes de lumière qui ont permis cette découverte ont désormais été démantelées, en attente d'une mise à niveau SLS 2.0. Après vingt années de succès scientifique, la dernière station COPHEE sera entièrement intégrée à la nouvelle ligne de lumière « QUEST ». « Nous avons réalisé ces expériences avec les derniers photons de lumière au COPHEE. Ils ont fait une avancée scientifique très importante et c'est très impressionnant pour nous », ajoute Krempaski.

Conclusion et orientations futures

Les chercheurs estiment que cette nouvelle découverte fondamentale dans le domaine du magnétisme enrichira notre compréhension de la physique de la matière condensée, tout en ayant un impact sur divers domaines de recherche et de technologie. En plus de leurs avantages dans le domaine en développement de la spintronique, ils constituent également une plate-forme prometteuse pour explorer la supraconductivité non conventionnelle, grâce à de nouvelles connaissances sur les états supraconducteurs pouvant apparaître dans différents matériaux magnétiques.

« Le magnétisme alternatif n'est en réalité pas quelque chose de très compliqué. « C'est quelque chose d'assez fondamental qui est sous nos yeux depuis des décennies sans que nous nous en rendions compte », explique Jungwirth. « Et ce n'est pas quelque chose qui n'existe que dans quelques matériaux obscurs. On le retrouve dans de nombreux cristaux que les gens gardaient dans leurs tiroirs. En ce sens, maintenant que nous avons mis cette idée en lumière, beaucoup plus de personnes dans le monde pourront y travailler, ouvrant ainsi la voie à un impact potentiel à grande échelle.

Référence : « Lévitation magnétique de la désintégration du spin de Cramer » 14 février 2024, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-023-06907-7