Des chercheurs de l’Université Rice ont découvert que les phonons chiraux dans un cristal peuvent magnétiser le matériau, alignant les spins des électrons d’une manière similaire à l’effet d’un champ magnétique puissant. Cette découverte remet en question des notions établies en physique, notamment le concept de symétrie à inversion du temps, et ouvre la voie à des recherches avancées sur les matériaux quantiques.
Une étude de l’Université Rice exploite les phonons chiraux pour un effet quantique transformateur.
Les matériaux quantiques détiennent la clé d’un avenir de systèmes d’information ultra-rapides et économes en énergie. Le problème lorsqu’il s’agit d’exploiter leur potentiel de transformation est que, dans les solides, le grand nombre d’atomes noie souvent les propriétés quantiques exotiques que possèdent les électrons.
Phonons chiraux et magnétisme
Des chercheurs de l’Université Rice du laboratoire du scientifique des matériaux quantiques Hanyu Zhu ont découvert que lorsqu’ils se déplacent en cercle, les atomes peuvent également faire des merveilles : lorsque le réseau atomique d’un cristal de terre rare s’anime d’une vibration en forme de tire-bouchon connue sous le nom de phonon chiral, le cristal se transforme en aimant.
Les phonons chiraux excités par les impulsions lumineuses térahertz polarisées circulairement génèrent une magnétisation ultrarapide dans le fluorure de cérium. Les ions fluor (rouge, fuchsia) sont mis en mouvement par des impulsions lumineuses térahertz polarisées circulairement (spirale jaune), où le rouge désigne les ions ayant le mouvement le plus important en mode phonon chiral. L’ion cérium est représenté en bleu sarcelle. L’aiguille de la boussole représente l’aimantation induite par les atomes en rotation. Crédit : Mario Norton et Jiaming Luo/Rice University
Selon une étude publiée récemment dans la revue Science, exposer le fluorure de cérium à des impulsions de lumière ultrarapides envoie ses atomes dans une danse qui engage momentanément les spins des électrons, les obligeant à s’aligner sur la rotation atomique. Cet alignement nécessiterait autrement un champ magnétique puissant pour s’activer, car le fluorure de cérium est naturellement paramagnétique avec des spins orientés de manière aléatoire, même à température nulle.
Spins électroniques et mouvement chiral
« Chaque électron possède un spin magnétique qui agit comme une petite aiguille de boussole intégrée dans le matériau, réagissant au champ magnétique local », a déclaré Boris Yakobson, scientifique des matériaux et co-auteur de Rice. « La chiralité – également appelée « mainté » en raison de la façon dont les mains gauche et droite se reflètent sans être superposables – ne devrait pas affecter les énergies de spin des électrons. Mais dans ce cas, le mouvement chiral du réseau atomique polarise les spins à l’intérieur du matériau comme si un grand champ magnétique était appliqué.
Boris Yakobson est professeur d’ingénierie Karl F. Hasselmann à Rice et professeur de science des matériaux, de nano-ingénierie et de chimie. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
Bien que de courte durée, la force qui aligne les spins dure largement plus longtemps que la durée de l’impulsion lumineuse. Étant donné que les atomes ne tournent qu’à des fréquences particulières et se déplacent plus longtemps à des températures plus basses, des mesures supplémentaires dépendant de la fréquence et de la température confirment en outre que la magnétisation se produit à la suite de la danse chirale collective des atomes.
Hanyu Zhu est titulaire de la chaire William Marsh Rice et professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie à l’Université Rice. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
L’influence surprenante du mouvement atomique
« L’effet du mouvement atomique sur les électrons est surprenant car les électrons sont beaucoup plus légers et plus rapides que les atomes », a déclaré Zhu, titulaire de la chaire William Marsh Rice de Rice et professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie. « Les électrons peuvent généralement s’adapter immédiatement à une nouvelle position atomique, oubliant leur trajectoire antérieure. Les propriétés des matériaux resteraient inchangées si les atomes allaient dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse, c’est-à-dire avançaient ou reculaient dans le temps – un phénomène que les physiciens appellent symétrie d’inversion du temps.
L’idée selon laquelle le mouvement collectif des atomes brise la symétrie d’inversion du temps est relativement récente. Les phonons chiraux ont maintenant été démontrés expérimentalement dans quelques matériaux différents, mais leur impact exact sur les propriétés des matériaux n’est pas bien compris.
Explorer le couplage spin-phonon
« Nous voulions mesurer quantitativement l’effet des phonons chiraux sur les propriétés électriques, optiques et magnétiques d’un matériau », a déclaré Zhu. « Parce que le spin fait référence à la rotation des électrons tandis que les phonons décrivent la rotation atomique, on s’attend naïvement à ce que les deux puissent communiquer entre eux. Nous avons donc décidé de nous concentrer sur un phénomène fascinant appelé couplage spin-phonon.
Le couplage spin-phonon joue un rôle important dans les applications du monde réel comme l’écriture de données sur un disque dur. Plus tôt cette année, le groupe de Zhu a démontré un nouvel exemple de couplage spin-phonon dans des couches moléculaires uniques avec des atomes se déplaçant linéairement et secouant leurs spins.
Jiaming Luo est un étudiant diplômé de Rice en physique appliquée et l’un des principaux auteurs de l’étude. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
Dans leurs nouvelles expériences, Zhu et les membres de l’équipe ont dû trouver un moyen de faire bouger un réseau d’atomes de manière chirale. Cela exigeait à la fois qu’ils choisissent le bon matériau et qu’ils créent de la lumière à la bonne fréquence pour faire tourbillonner son réseau atomique à l’aide des calculs théoriques des collaborateurs.
Techniques expérimentales innovantes
« Il n’existe pas de source de lumière disponible dans le commerce pour nos fréquences de phonons à environ 10 térahertz », a expliqué Jiaming Luo, étudiant diplômé en physique appliquée et auteur principal de l’étude. « Nous avons créé nos impulsions lumineuses en mélangeant des lumières infrarouges intenses et en tordant le champ électrique pour « parler » aux phonons chiraux. De plus, nous avons pris deux autres impulsions de lumière infrarouge pour surveiller respectivement le spin et le mouvement atomique.
Implications futures de la recherche
En plus des connaissances sur le couplage spin-phonon dérivées des résultats de la recherche, la conception et la configuration expérimentales contribueront à éclairer les recherches futures sur les matériaux magnétiques et quantiques.
« Nous espérons que la mesure quantitative du champ magnétique des phonons chiraux pourra nous aider à développer des protocoles d’expérimentation pour étudier une nouvelle physique dans les matériaux dynamiques », a déclaré Zhu. « Notre objectif est de concevoir des matériaux qui n’existent pas dans la nature grâce à des champs externes, tels que la lumière ou les fluctuations quantiques. »
Tong Lin (de gauche à droite), Hanyu Zhu et Jiaming Luo au laboratoire EQUAL. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (2005096, 1842494, 2240106), la Welch Foundation (C-2128) et le Army Research Office (W911NF-16-1-0255).
