Il n'est pas facile de contrôler le magnétisme dans un appareil; Des champs magnétiques inhabituellement grands ou beaucoup d'électricité sont nécessaires, qui sont volumineux, lents, coûteux et / ou les déchets. Mais cela semble bientôt changer, grâce à la récente découverte des altermagnets. Maintenant, les scientifiques proposent des idées pour des commutateurs efficaces pour gérer le magnétisme dans les appareils.
Le magnétisme est traditionnellement venu en deux variétés: le ferromagnétisme et l'antiferromagnétisme, basé sur l'alignement (ou non) des moments magnétiques dans un matériau. Au début de l'année dernière, les physiciens ont annoncé des preuves expérimentales pour une troisième variété de magnétisme: l'altermagnétisme, une combinaison différente de spins et de symétries cristallines. Les chercheurs apprennent maintenant à régler les altermagnets, rapprochant la science des applications pratiques.
Nous connaissons tous le ferromagnétisme (FM), comme un aimant de réfrigérateur ou une aiguille de boussole, où les moments magnétiques des atomes alignés en parallèle en cristal. Une deuxième classe a été ajoutée il y a environ cent ans appelée antiferromagnétisme (AFM), où les moments magnétiques dans un cristal s'alignent régulièrement dans des directions alternatives sur des sous-lieux différentes, de sorte que le cristal n'a pas de magnétisation nette, mais fait généralement à basse température.
Les altermagnets (AM) sont une sorte de mélange des deux: le matériau cristallin est ordonné où les moments magnétiques alternent, entraînant aucune magnétisation nette. Mais les tours n'annulent pas simplement, comme dans l'antitiferromagnétisme. Au lieu de cela, la symétrie du cristal crée une structure de bande électronique avec de forts tours qui retournent dans la direction, plus profondément sonde à travers les bandes d'énergie du matériau.
Les altermagnets ont certaines propriétés similaires aux ferromagnets, mais aussi de nouvelles propriétés, n'ayant pas de magnétisme net mais avec de forts effets dépendants du spin. Cela rend les altermagnets potentiellement très utiles pour les applications de spintronics – des appareils où le spin électronique est utilisé pour transporter des informations, semblable à la façon dont la charge électronique transporte des informations dans l'électronique.
Les altermagnets ont été d'un grand intérêt depuis leur découverte, et de nouvelles avancées théoriques ont montré comment créer un commutateur pour eux, une étape importante vers les applications de Spintronics. La recherche, dirigée par Tong Zhou de l'Eastern Institute of Technology, Ningbo en Chine, est publiée dans Lettres d'examen physique.
« Nous avons créé un matériau qui vous permet de contrôler le magnétisme aussi facilement que de tourner la poignée de votre robinet », a déclaré Zhou. « Imaginez avoir deux boutons: lorsqu'ils sont mis en face, vous obtenez un courant magnétique spécial; quand ils sont tournés de la même manière, cela s'éteint. C'est aussi simple. »
Les altermagnets montrent des niveaux de bande électronique qui sont divisés entre les bandes de spin-up et de rotation. Cette division peut être utilisée pour polariser un courant électrique, car un état de spin circulera plus facilement à travers le matériau que l'autre. Cela implique des applications plus rapides de spintronics qui fonctionnent avec une plus grande efficacité que les dispositifs spintroniques actuels.
Ce qui est encore nécessaire, c'est un moyen de modifier les propriétés de spin d'un altermagnet.
Les chercheurs préconisent maintenant l'utilisation de champs électriques pour faire cette commutation. Pour cela, les champs électriques ont un avantage, car ils sont plus susceptibles de contrôler les dispositifs magnétiques que les champs magnétiques – plus faciles à manipuler et à mettre en œuvre. Ils seraient également beaucoup plus rapides, potentiellement dans la gamme sous-nanoseconde et utiliseraient moins d'énergie.
Une proposition publiée par le groupe de Zhou peut être appelée « altermagnet antiferroélectrique » (AFEAM). De façon similaire à un antiferromagnet, un matériau antiferroélectrique (AFE) est constitué de structures atomiques dont les dipôles électriques sont alignés dans des directions opposées.
Le groupe a émis l'hypothèse d'un matériau où les dipôles électriques sont couplés aux tours magnétiques de telle sorte que la population de sous-lieux de spin-up soit liée aux sous-lieux de rotation par symétrie rotationnelle. Un tel matériau aurait à la fois des propriétés antiferroélectriques et altermagnétiques.
Un petit champ électrique appliqué fait que les dipôles électriques s'alignent dans la même direction, transformant le matériau en un cristal ferroélectrique (FE). Dans un état ferroélectrique (encore une fois, les dipôles alignés), il ne serait plus un altermagnet mais serait un antiferromagnet (moments magnétiques non alignés). Ensuite, il ne polariserait pas un courant électronique. Le champ électrique fait basculer la polarisation de spin sur ou désactiver.
« Le contrôle du magnétisme signifie que les gadgets futurs comme le stockage de la mémoire et les ordinateurs pourraient devenir beaucoup plus rapides, utiliser moins d'énergie et durer plus longtemps sur la batterie », a déclaré Zhou.
Un autre groupe et un chercheur seul ont également proposé des technologies qui utilisent également des champs électriques pour la commutation magnétique.
Un groupe dirigé par Qihang Liu de l'Université du Sud des sciences et de la technologie à Shenzhen, en Chine, et chercheur Libor Šmejkal du Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems en Allemagne propose également un altermagnet de commutable ferroélectrique, où un champ électrique appliqué interagit avec les modes de déformation du cristal pour contrôler le signe de la répartition des altermagtes.
Pour Liu et ses collègues, la déformation est la distorsion de Jahn-Teller, une contraction alternative et un allongement de liaisons spécifiques. Pour la proposition de Šmejkal, la déformation provient des rotations des unités de sous-lieux dans le matériau qui, lorsqu'ils sont activés électriquement, inversent la polarisation ferroélectrique du système, un phénomène appelé effet altermagnetoélectrique.
« Il est rare d'apporter deux grandes idées – l'antiferroélectricité et l'altermagnétisme – ensemble dans un seul matériau et les faire travailler en harmonie. C'est ce qui rend cette découverte si spéciale », a déclaré Zhou.
« Honnêtement, on a l'impression que nous avons découvert un interrupteur caché à l'intérieur des matériaux – un qui nous permet de basculer le comportement de rotation sans jamais toucher la structure magnétique. C'est un changement de jeu. »
