L'altermagnétisme prends place dans l'arbre généalogique magnétique

Visualisation des densités de spin dans un matériau altermagnétique, différentes couleurs indiquant différentes orientations du spin. Crédit : Libor Šmejkal et Anna Birk-Hellenes (Czech Acad. of Sci.)
Grâce à des expériences menées à la Source de Lumière Suisse SLS, des scientifiques de l'Institut Paul Scherrer et de l'EPFL et leur équipe internationale ont prouvé l'existence de l'altermagnétisme, un nouveau venu dans la famille du magnétisme. Cette découverte expérimentale est rapportée dans la revue Nature et représente une nouvelle physique fondamentale, avec des implications majeures pour la spintronique.
Le magnétisme, c'est bien plus que des choses qui collent au réfrigérateur. Cette compréhension est venue avec la découverte des antiferromagnétiques il y a près d'un siècle. Depuis, la famille des matériaux magnétiques s'est divisée en deux phases fondamentales : la branche ferromagnétique connue depuis plusieurs millénaires et la branche antiferromagnétique. La preuve expérimentale de l'existence d'une troisième branche du magnétisme, appelée altermagnétisme, a été réalisée à la Source de Lumière Suisse SLS, par une collaboration internationale dirigée par l'Académie tchèque des sciences naturelles en collaboration avec l'Institut Paul Scherrer PSI et l’EPFL.
Les phases magnétiques fondamentales sont définies par les arrangements spontanés spécifiques des moments magnétiques – ou spins des électrons – et des atomes qui portent ces moments dans les cristaux. Les ferromagnétiques sont le type d'aimants qui se collent au réfrigérateur : ici, les spins pointent dans la même direction, donnant un magnétisme macroscopique. Dans les matériaux antiferromagnétiques, les spins pointent dans des directions alternées, de sorte que les matériaux ne possèdent pas de magnétisation nette macroscopique - et ne collent donc pas au réfrigérateur. Bien que d'autres types de magnétisme, tels que le diamagnétisme et le paramagnétisme, aient été catégorisés, ceux-ci décrivent des réponses spécifiques à des champs magnétiques appliqués de l'extérieur plutôt que des ordres magnétiques spontanés dans les matériaux.
Les alteraimants ont une combinaison spéciale de la disposition des spins et des symétries cristallines. Les spins alternent, comme dans les antiferromagnétiques, ce qui n'entraîne pas d'aimantation nette. Pourtant, plutôt que de simplement s'annuler, les symétries donnent une structure de bande électronique avec une forte polarisation de spin qui change de direction lorsque vous traversez les bandes d'énergie du matériau - d'où le nom d'alteraimants. Il en résulte des propriétés très utiles ressemblant davantage à des ferromagnétiques, ainsi que des propriétés complètement nouvelles.

Un nouveau membre de la famille utile
Ce troisième frère magnétique offre des avantages distincts pour la technologie des mémoires magnétiques de nouvelle génération, connue sous le nom de spintronique, qui est en plein développement. Alors que l'électronique n'utilise que la charge des électrons, la spintronique exploite également l'état de spin des électrons pour stocker des informations.
Bien que la spintronique promette depuis quelques années de révolutionner l'informatique, elle n'en est encore qu'à ses balbutiements. En règle générale, les ferromagnétiques ont été utilisés pour de tels dispositifs, car ils montrent certains phénomènes physiques fortement souhaitables dépendants du spin. Cependant, la magnétisation macroscopique du réseau, qui est utile dans tant d'autres applications, pose des limites pratiques à l'extension de ces dispositifs à plus grande échelle, car elle provoque une diaphonie entre les bits – les éléments porteurs d'informations dans le stockage de données.
Plus récemment, les antiferromagnétiques ont été étudiés pour la spintronique, car ils bénéficient de l'absence de magnétisation nette, ce qui les rend extensibles à large échelle et énergétiquement efficace. Cependant, les forts effets dépendants du spin qui sont si utiles dans les ferromagnétiques font défaut, ce qui entrave à nouveau leur application dans la pratique.
C'est là qu'interviennent les alteraimants avec le meilleur des deux : une aimantation nette nulle ainsi que les phénomènes très convoités de forte dépendance au spin que l'on trouve généralement dans les ferromagnétiques - des propriétés qui étaient considérés comme incompatibles par principe.
« C'est la magie des alteraimants », explique Tomáš Jungwirth de l'Institut de physique de l'Académie tchèque des sciences, chercheur principal de l'étude. « Ce que les gens croyaient impossible jusqu'à de récentes prédictions théoriques est en fait possible. »
La recherche est en cours
En 2022, les théoriciens ont publié leurs prédictions sur l'existence de l'altermagnétisme. Ils ont découvert plus de deux cents candidats altermagnétiques dans des matériaux allant des isolants et des semi-conducteurs aux métaux et supraconducteurs. Beaucoup de ces matériaux ont été bien connus et largement étudiés dans le passé, sans que leur nature altermagnétique ne soit remarquée. En raison des énormes possibilités de recherche et d'application que présente l'altermagnétisme, ces prédictions ont suscité un grand enthousiasme au sein de la communauté. Les recherches étaient lancées.
Les rayons X fournissent la preuve
L'obtention d'une preuve expérimentale directe de l'existence de l'altermagnétisme nécessitait de démontrer les caractéristiques uniques de symétrie de spin prédites dans les alteraimants. La preuve a été apportée à l'aide de la spectroscopie de photoémission résolue en spin et en angle sur les lignes de faisceaux SIS (station COPHEE) et ADRESS du SLS. Cette technique a permis à l'équipe de visualiser une caractéristique révélatrice dans la structure électronique d'un alteraimant : le fractionnement de bandes électroniques correspondant à différents états de spin, connu sous le nom de levée de la dégénérescence de spin de Kramers.
La découverte a été faite dans des cristaux de tellurure de manganèse, un matériau simple bien connu à deux éléments. Traditionnellement, ce matériau a été considéré comme un antiferromagnétique classique car les moments magnétiques sur les atomes de manganèse voisins pointent dans des directions opposées, générant une aimantation nette qui est nulle.
Cependant, les antiferromagnétiques ne devraient pas présenter de dégénérescence de spin de Kramers levée par l'ordre magnétique, alors que les ferromagnétiques ou les alteraimants le devraient. Lorsque les scientifiques ont vu la dégénérescence du spin de Kramers, accompagnée de la disparition de l'aimantation nette, ils ont su qu'ils avaient affaire à un alteraimant.
« Grâce à la haute précision et à la sensibilité de nos mesures, nous avons pu détecter le fractionnement alterné caractéristique des niveaux d'énergie correspondant à des états de spin opposés et ainsi démontrer que le tellurure de manganèse n'est ni un antiferromagnétique conventionnel ni un ferromagnétique conventionnel, mais appartient à la nouvelle branche altermagnétique des matériaux magnétiques », explique Juraj Krempasky, scientifique au sein du Beamline Optics Group du PSI et premier auteur de l'étude.
« Maintenant que nous l'avons mis en lumière, de nombreuses personnes dans le monde pourront y travailler. »
Les scientifiques pensent que cette nouvelle découverte fondamentale en magnétisme enrichira notre compréhension de la physique de la matière condensée, avec un impact dans divers domaines de recherche et de technologie. En plus de ses avantages pour le domaine de la spintronique en développement, il offre également une plate-forme prometteuse pour explorer la supraconductivité non conventionnelle, grâce à de nouvelles connaissances sur les états supraconducteurs qui peuvent survenir dans différents matériaux magnétiques.
« L'altermagnétisme n'est en fait pas quelque chose d'extrêmement compliqué. C'est quelque chose de tout à fait fondamental qui était sous nos yeux pendant des décennies sans que nous nous en rendions compte », explique Jungwirth. Et ce n'est pas quelque chose qui n'existe que dans quelques matériaux obscurs. Il existe dans de nombreux cristaux que les gens avaient simplement dans leurs tiroirs. En ce sens, maintenant que nous l'avons mis en lumière, de nombreuses personnes dans le monde pourront y travailler, avec potentiellement un grand impact.
Autres contributeurs
- Institut Paul Scherrer
- Johannes Gutenberg-Universität Mainz
- Czech Academy of Sciences
- University of West Bohemia, Plzeň
- Johannes Kepler University of Linz
- Charles University, Prague
- Universität Zürich
- Universidad del Norte (Colombia)
- University of Nottingham
J. Krempaský, L. Šmejkal, S. W. D'Souza, M. Hajlaoui, G. Springholz, K. Uhlířová, F. Alarab, P. C. Constantinou, V. Strokov, D. Usanov, W. R. Pudelko, R. González-Hernández, A. Birk Hellenes, Z. Jansa, H. Reichlová, Z. Šobáň, R. D. Gonzalez Betancourt, P. Wadley, J. Sinova, D. Kriegner, J. Minár, J. H. Dil, T. Jungwirth, Altermagnetic Lifting of Kramers spin degeneracy, Nature 626, 517–522 (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06907-7