Découverte d'un nouveau type de magnétisme

Il y a des milliers d'années, l'humanité est entrée pour la première fois en contact avec le magnétisme : Les forces étranges émanant de la magnétite ferromagnétique ont attiré l'attention de savants de l'actuelle Chine et de la Grèce, entre autres. Depuis, les physiciens ont largement étudié les mécanismes qui se cachent derrière les matériaux magnétiques - et pourtant, une équipe dirigée par le physicien des solides Libor Šmejkal de l'université Johannes Gutenberg de Mayence a fait une découverte étonnante en 2020 : Il a observé un comportement étrange des électrons, qui ne pouvait être expliqué que par une nouvelle forme de magnétisme, jusqu'alors inconnue. La question de savoir si un tel "altermagnétisme" existe réellement est restée ouverte dans un premier temps. Mais trois groupes de recherche indépendants ont démontré dans des expériences de laboratoire que l'altermagnétisme est réel. Et ce n'est pas tout : il pourrait s'avérer extrêmement utile dans la pratique.

Ce qui semblait être une force magique dans le passé est désormais parfaitement compris. Les aimants sont des solides cristallins constitués d'atomes disposés en grilles régulières. Ces atomes possèdent une sorte de moment cinétique intrinsèque, un "spin", qui peut être orienté dans différentes directions. Si les spins atomiques sont tous orientés dans le même sens dans un cristal, il s'agit d'un ferromagnétique, comme la magnétite, déjà observée dans l'Antiquité. Dans d'autres matériaux, en revanche, les spins sont si désordonnés qu'ils ne suivent aucune structure reconnaissable - ces matériaux sont considérés comme non magnétiques. En 1930, le physicien Louis Néel a découvert une deuxième forme de magnétisme dans ce que l'on appelle les antiferromagnétiques. Bien qu'ils ne génèrent pas de champ magnétique externe, les spins à l'intérieur sont ordonnés : Ils pointent alternativement dans des directions différentes. Si le spin d'un atome est dirigé vers le nord, les spins des atomes voisins sont dirigés vers le sud. Ainsi, les moments magnétiques des particules s'annulent mutuellement. Les antiferromagnétiques sont beaucoup plus fréquents dans la nature que les ferromagnétiques.

Une forme de magnétisme longtemps ignorée

Il s'avère que même les spécialistes ont négligé une troisième forme de magnétisme pendant des décennies. "Les aimants alternatifs combinent quasiment les propriétés des ferromagnétiques et des antiferromagnétiques", déclare le physicien des solides Hans-Joachim Elmers de l'université Johannes Gutenberg de Mayence, qui a participé à la détection des aimants alternatifs. Vus de l'extérieur, ces matériaux, tout comme les antiferromagnétiques, ne produisent pas de champ magnétique. Mais en réalité, ils possèdent des caractéristiques qui sont en fait réservées aux ferromagnétiques.

C'est ce que Šmejkal et son équipe ont découvert en réalisant une expérience dite de Hall, qui consiste à étudier la manière dont un champ magnétique affecte le flux de courant dans un conducteur. On sait depuis le 19e siècle qu'il en résulte une force de Lorentz qui dévie le courant de sa trajectoire. Cependant, comme l'a découvert le physicien Edwin Hall, cette déviation peut également être observée lorsque le conducteur lui-même est magnétique - aucun champ magnétique extérieur n'est alors nécessaire. Ce phénomène est connu sous le nom d'"effet Hall anormal".

Šmejkal et ses collègues ont observé en 2020 l'effet Hall anormal dans l'oxyde de ruthénium, une substance antiferromagnétique. "C'était très surprenant, après tout, on pensait jusqu'alors que l'effet Hall était compensé par ces moments magnétiques opposés", a déclaré Šmejkal dans un communiqué de presse de 2020. Apparemment, tous les matériaux classés jusqu'à présent comme antiferromagnétiques ne sont pas identiques. Parmi eux se cachent également des substances qui appartiennent apparemment à une autre forme de magnétisme, appelée altermagnétisme.

Au cours des années suivantes, les chercheurs ont réalisé que de nombreux matériaux classés comme antiferromagnétiques pouvaient en fait être altermagnétiques. "Les spécialistes ont réalisé que si les altermagnétiques partagent certaines de leurs propriétés clés avec les antiferromagnétiques, ils ont encore plus en commun avec les ferromagnétiques", a écrit le physicien Igor Mazin de l'université George Mason à Fairfax dans un article de l'American Physical Society. En plus de l'effet Hall anormal, les aimants Alter présentent d'autres propriétés électroniques qui ne sont normalement présentes que dans les ferromagnétiques. Mais leurs spins atomiques sont orientés en sens inverse, comme dans les antiferromagnétiques.

Mais si l'on regarde de plus près, on peut voir un ordre supplémentaire que les antiferromagnétiques n'ont pas : Dans les altermagnétiques, tous les électrons qui se déplacent dans la même direction ont un spin orienté de la même manière. "Ce phénomène d'ordre n'a rien à voir avec l'ordre spatial - c'est-à-dire avec la localisation des électrons - mais uniquement avec les directions des vitesses des électrons", dit Elmers. Cette différence essentielle fait que les matériaux possèdent des caractéristiques inattendues qui sont en fait réservées aux ferromagnétiques.

Détection expérimentale de l'altermagnétisme

Les trois groupes de travail ont réussi à confirmer expérimentalement les prédictions théoriques sur les altermagnétiques - et donc à démontrer l'existence d'une nouvelle forme de magnétisme. Pour ce faire, le groupe de recherche d'Elmers a irradié une fine couche de dioxyde de ruthénium avec des rayons X au synchrotron électronique allemand de Hambourg, ce qui a stimulé les électrons de la substance jusqu'à ce qu'ils soient expulsés de la couche et détectés. La vitesse et la direction des particules ont ainsi pu être déterminées. Les résultats suggèrent que le dioxyde de ruthénium est un altermagnétique, comme le prédit la théorie. Les chercheurs ont publié leurs résultats le 31 janvier 2024 dans "Science Advances"

Une autre équipe de recherche dirigée par Tomas Jungwirth de l'Université de Nottingham et un groupe dirigé par Chang Liu de la Southern University of Science and Technology de Shenzhen ont étudié le manganèse-telluride et le manganèse-itelluride. D'après les calculs théoriques, les deux matériaux devraient également être des aimants vieillis. Grâce à la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire, les deux groupes ont réussi à mettre en évidence des propriétés altermagnétiques claires dans les deux matériaux. Ils ont publié leurs résultats le 14 février 2024 dans la revue scientifique "Nature". "Les deux groupes ont utilisé des approches expérimentales et des méthodes d'analyse différentes et ont pu fournir des informations sur les structures magnétiques complexes de ces matériaux", écrit la physicienne Carmine Autieri de l'Académie polonaise des sciences à Varsovie, qui n'a pas participé aux travaux, dans un article d'accompagnement.

La forme d'altermagnétisme nouvellement découverte pourrait ouvrir la voie à une multitude d'applications technologiques. Les altermagnétiques pourraient notamment être utiles dans le domaine de la spintronique, où les signaux sont transportés non pas par la charge mais par le spin des particules. "Les ferromagnétiques peuvent induire des champs magnétiques de fuite qui affectent les performances du matériau, mais ces champs ne se produisent pas avec les antiferromagnétiques", écrit Autieri. Les aimants alternatifs permettent donc d'exploiter les propriétés ferromagnétiques sans générer de champs magnétiques perturbateurs. De plus, les altermagnétiques pourraient permettre de créer des composants avec des fréquences d'horloge plus élevées qu'auparavant. "Ces concepts émergents feront probablement bientôt partie intégrante des manuels de physique", conclut Autieri.

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