Les chercheurs ont réussi à modifier le magnétisme d’un cristal en appliquant une pression. Cette méthode, qui fait varier les interactions magnétiques dans un réseau cristallin, pourrait révolutionner le stockage de données et l’informatique quantique en contrôlant la frustration géométrique et les propriétés magnétiques.
Le magnétisme est influencé par le comportement des électrons. Par exemple, ces minuscules particules peuvent créer un courant électrique en utilisant leur charge, qui à son tour peut produire un champ magnétique. De plus, le magnétisme peut émerger de l’alignement coordonné de moments magnétiques, ou spins, au sein d’une substance. Jusqu’à présent, il était impossible de modifier continuellement le type de magnétisme présent dans 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 : changer 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 la célèbre revue Lettres d’examen physique.
Le magnétisme est fascinant
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.
Andrej Pustogow (à gauche), Maximilian Spitaler (à droite) et leurs collègues montrent à quoi ressemble la frustration magnétique dans la grille triangulaire. Crédit : TU Vienne
« Cependant, rechercher de nouvelles formes de magnétisme et les contrôler pleinement est une entreprise extrêmement difficile », explique Andrej Pustogow, responsable de l’étude.
Ferromagnétisme et antiferromagnétisme
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 agencements de spins électroniques, par exemple dans les 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 – rotation 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 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 le physicien du solide Pustogow.
Frustration modifiée par la pression
« 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 Andrej Pustogow. Bien que des matériaux présentant une forte frustration géométrique puissent déjà être produits, un changement continu d’une faible frustration à une forte frustration 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 Andrej Pustogow. L’équipe a réussi à augmenter la température de transition de phase magnétique de plus de dix pour cent. « Cela peut sembler peu à première vue, mais si le point de congélation de l’eau était augmenté de dix pour cent, par exemple, elle gelerait 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 via une contrainte mécanique uniaxiale ouvre la porte à des manipulations insoupçonnées des propriétés des matériaux ‘en appuyant sur un bouton' », résume Andrej Pustogow.
