Cristal altermagnétique : non seulement les directions de polarisation de spin (en magenta et cyan) alternent sur les atomes magnétiques voisins, mais aussi les formes atomiques elles-mêmes, comme le montre l'inclinaison des densités électroniques en forme d'haltère dans deux directions différentes. La ligne de lumière bleue illustre l'expérience de photoémission sur un synchrotron qui a été utilisée pour démontrer l'altermagnétisme. Crédit : Libor Šmejkal et Anna Birk Hellenes / JGU
La troisième branche du magnétisme a été démontrée expérimentalement dans le tellurure de manganèse, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles orientations de recherche.
Une étude récente publiée dans Nature révèle qu'une équipe internationale de scientifiques a remis en question la division conventionnelle du magnétisme en deux types : le ferromagnétisme, connu depuis des milliers d'années, et l'antiferromagnétisme, identifié il y a environ un siècle. Les chercheurs ont désormais réussi à démontrer, par des expériences directes, un troisième type de magnétisme, l’altermagnetisme, qui avait été prédit théoriquement par des scientifiques de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence et de l’Académie tchèque des sciences de Prague plusieurs années plus tôt.
Limites des branches magnétiques connues pour les technologies de l'information
Nous considérons généralement un aimant comme un ferromagnétique, qui possède un champ magnétique puissant qui maintient une liste de courses sur la porte d'un réfrigérateur ou permet le fonctionnement d'un moteur électrique dans une voiture électrique. Le champ magnétique d’un ferromagnétique est créé lorsque le champ magnétique de millions de ses atomes est aligné dans la même direction. Ce champ magnétique peut également être utilisé pour moduler le courant électrique dans les composants informatiques.
Toutefois, dans le même temps, le champ ferromagnétique pose une sérieuse limitation à l’évolutivité spatiale et temporelle des composants. Ainsi, ces dernières années, un axe de recherche important a été porté sur la deuxième branche antiferromagnétique des aimants. Les antiferromagnétiques sont des matériaux moins connus mais beaucoup plus courants dans la nature, où les directions des champs magnétiques atomiques sur les atomes adjacents sont décalées comme les couleurs blanches et noires sur un échiquier. Ainsi, les antiferromagnétiques dans leur ensemble ne créent pas de champs magnétiques indésirables, mais malheureusement, ils sont si antimagnétiques qu'ils n'ont pas encore trouvé d'applications actives dans les technologies de l'information.
Les alter-aimants combinent des avantages « incompatibles »
Les alter-aimants récemment prédits combinent les avantages des ferromagnétiques et des antiferromagnétiques, que l'on pensait fondamentalement incompatibles, et présentent également d'autres avantages uniques que l'on ne trouve pas dans les autres branches. Les alter-aimants peuvent être considérés comme des arrangements magnétiques dans lesquels alternent non seulement les moments atomiques des atomes voisins, mais également l’orientation des atomes dans le cristal. Ainsi, les alter-aimants ne créent pas de champ magnétique à l’extérieur, mais les électrons à l’intérieur ressentent un champ magnétique qui est effectivement 1 000 fois plus puissant que le champ de l’aimant du réfrigérateur. Ces champs peuvent moduler les courants électriques à la manière des ferromagnétiques et sont donc potentiellement très attractifs pour des applications dans la future nanoélectronique ultra-évolutive.
De plus, les scientifiques ont identifié plus de 200 matériaux candidats pour l'altermagnétisme avec des propriétés couvrant les isolants, semi-conducteurs, les métaux et même les supraconducteurs. Des groupes de recherche ont étudié bon nombre de ces matériaux dans le passé, mais leur nature altermagnétique leur est restée cachée.
Les théoriciens ont prédit la branche altermagnétique il y a cinq ans
À partir de 2019, une équipe de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence et de l’Institut de physique de Prague a publié une série d’articles dans lesquels ils identifiaient théoriquement des matériaux magnétiques non conventionnels. En 2021, la même équipe du Dr Libor Šmejkal, du professeur Jairo Sinova et du professeur Tomas Jungwirth a prédit que ces matériaux formeraient un troisième type fondamental de magnétisme, qu'ils ont appelé altermagnétisme et dont la structure cristalline et magnétique est complètement différente des ferromagnétiques et antiferromagnétiques conventionnels. .
Étant donné que l’altermagnétisme ouvre des possibilités de recherche et d’application vastes et sans précédent, presque immédiatement après la prédiction théorique, une vague d’études de suivi a été menée par des groupes de recherche du monde entier. Par la suite, il s’agissait de savoir quand les preuves expérimentales directes seraient disponibles.
Preuve expérimentale menée sur un matériau considéré depuis des décennies comme un « antiferromagnétique classique »
Une équipe internationale de chercheurs a maintenant fourni de telles preuves dans une étude publiée dans Nature. Les chercheurs ont décidé d’examiner les cristaux d’un simple candidat altermagnétique à deux éléments : le tellurure de manganèse (MnTe). Traditionnellement, ce matériau est considéré comme l'un des antiferromagnétiques classiques car les moments magnétiques sur les atomes de manganèse voisins pointent dans des directions opposées et ne créent donc pas de champ magnétique externe autour du matériau.
Aujourd’hui, pour la première fois, les scientifiques ont pu démontrer directement l’altermagnétisme du MnTe. Ils ont utilisé des prédictions théoriques pour déterminer dans quelle direction « la lumière » « brillerait » sur des cristaux de MnTe de haute qualité dans une expérience de photoémission. L’équipe a mesuré les structures de bandes, qui sont des cartes utilisées par les physiciens pour décrire les propriétés des électrons dans les cristaux, sur un synchrotron. Ils ont ensuite pu montrer que malgré l’absence de champ magnétique externe, les états électroniques dans MnTe sont fortement divisés en spin. L'échelle et la forme de la division du spin correspondent parfaitement à la division altermagnétique prévue à l'aide des calculs de mécanique quantique.
De plus, les chercheurs ont pu détecter pour la première fois la polarisation de spin des bandes. « C'est une preuve directe que MnTe n'est ni un antiferromagnétique conventionnel ni un ferromagnétique conventionnel mais appartient à une nouvelle branche altermagnétique des matériaux magnétiques », a déclaré le Dr Libor Šmejkal de JGU, l'auteur principal de la partie théorique de l'article.
L'étude s'est appuyée sur l'expertise de chercheurs de l'Institut de physique de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence en Allemagne, en collaboration avec des scientifiques de l'Académie tchèque des sciences de Prague, de l'Institut Paul Scherrer de Suisse, de l'Université de Bohême occidentale de Pilsen, de l'Université de Linz en Autriche, le Université de Nottingham au Royaume-Uni et à l'Université Charles de Prague.
La découverte de l'altermagnétisme ouvre de nouvelles directions de recherche
« Après les premières prédictions et compte tenu de l'intérêt mondial croissant pour l'altermagnétisme, nous sommes ravis d'avoir pu contribuer à la démonstration expérimentale du MnTe », a déclaré le Dr Libor Šmejkal de l'Université de Mayence.
Le professeur Jairo Sinova, directeur du groupe interdisciplinaire de recherche en spintronique (INSPIRE) et du centre interdisciplinaire Spin Phenomena (SPICE) de JGU et co-auteur de l'étude, a ajouté : « La découverte de l'altermagnétisme a lancé de nouvelles orientations dans la recherche mondiale. dans de nouveaux principes physiques et matériels pour des composants informatiques hautement évolutifs et économes en énergie. Remarquablement, le domaine s’échauffe et plusieurs autres études sont apparues récemment confirmant diverses autres propriétés des matériaux altermagnétiques. La découverte de l’altermagnétisme semble donc n’être que le début d’une nouvelle ère passionnante dans le magnétisme.
