La découverte de l’altermagnétisme : une révolution dans la conception des dispositifs de mémoire magnétique et des matériaux supraconducteurs
Des chercheurs ont obtenu les premières preuves concluantes de l’existence d’une troisième classe de magnétisme, appelée altermagnétisme. Leurs découvertes, publiées le 11 décembre dans la revue Nature, pourraient révolutionner la conception de nouveaux dispositifs de mémoire magnétique haute vitesse et fournir la pièce manquante du puzzle dans le développement de meilleurs matériaux supraconducteurs.
Deux types bien établis de magnétisme
Jusqu’à présent, nous connaissions deux types bien établis de magnétisme, explique Oliver Amin, auteur de l’étude et chercheur postdoctoral à l’Université de Nottingham au Royaume-Uni. Le ferromagnétisme, où les moments magnétiques, que l’on peut imaginer comme de petites flèches de boussole à l’échelle atomique, pointent tous dans la même direction. Et l’antiferromagnétisme, où les moments magnétiques voisins pointent dans des directions opposées – on peut l’imaginer comme un échiquier de carreaux blancs et noirs alternés.
Un nouveau type de magnétisme
Les matériaux altermagnétiques, théorisés pour la première fois en 2022, ont une structure qui se situe quelque part entre les deux. Chaque moment magnétique individuel pointe dans la direction opposée de son voisin, comme dans un matériau antiferromagnétique. Mais chaque unité est légèrement tordue par rapport à cet atome magnétique adjacent, ce qui lui confère certaines propriétés semblables à celles des ferromagnétiques.
Les altermagnets combinent donc les meilleures propriétés des matériaux ferromagnétiques et antiferromagnétiques. L’avantage des ferromagnétiques est que nous avons un moyen facile de lire et d’écrire la mémoire en utilisant ces domaines vers le haut ou vers le bas, explique Alfred Dal Din, co-auteur de l’étude et doctorant à l’Université de Nottingham. Mais parce que ces matériaux ont une aimantation nette, cette information est également facile à perdre en passant un aimant dessus. Inversement, les matériaux antiferromagnétiques sont beaucoup plus difficiles à manipuler pour le stockage de l’information. Mais comme ils ont une aimantation nette nulle, l’information dans ces matériaux est plus sécurisée et plus rapide à transporter. Les altermagnets ont à la fois la vitesse et la résilience d’un antiferromagnétisme, mais ils possèdent également cette propriété importante des ferromagnétiques appelée brisure de symétrie du renversement temporel, ajoute Dal Din.
La symétrie de renversement temporel
Cette propriété étonnante examine la symétrie des objets se déplaçant vers l’avant et vers l’arrière dans le temps. Par exemple, les particules de gaz volent autour, se heurtant aléatoirement et remplissant l’espace, explique Amin. Si vous rembobinez le temps, ce comportement ne change pas. Cela signifie que la symétrie est conservée. Cependant, parce que les électrons possèdent à la fois un moment magnétique et un spin quantiques, en inversant le temps et donc la direction du déplacement, le spin s’inverse, ce qui signifie que la symétrie est brisée. Si vous regardez ces deux systèmes d’électrons – l’un où le temps progresse normalement et l’autre où vous êtes en rembobinage – ils sont différents, donc la symétrie est brisée, explique Amin. Cela permet l’existence de certains phénomènes électriques.
Trouver le maillon manquant de la supraconductivité
L’équipe dirigée par Peter Wadley, professeur de physique à l’Université de Nottingham, a utilisé une technique appelée microscopie électronique par photoémission pour imager la structure et les propriétés magnétiques du tellurure de manganèse, un matériau auparavant considéré comme antiferromagnétique. Différents aspects du magnétisme sont mis en évidence en fonction de la polarisation des rayons X que nous choisissons, explique Amin. La lumière polarisée circulairement a révélé les différents domaines magnétiques créés par la brisure de symétrie du renversement temporel, tandis que les rayons X polarisés horizontalement ou verticalement ont permis à l’équipe de mesurer la direction des moments magnétiques à travers le matériau. En combinant les résultats des deux expériences, les chercheurs ont créé la première carte des différents domaines magnétiques et structures à l’intérieur d’un matériau altermagnétique.
Avec cette preuve de concept en place, l’équipe a fabriqué une série de dispositifs altermagnétiques en manipulant les structures magnétiques internes par une technique de cyclage thermique contrôlé.
Une révolution dans la conception des dispositifs de mémoire et des matériaux supraconducteurs
Les auteurs de l’étude affirment que la possibilité d’imager et de contrôler cette nouvelle forme de magnétisme pourrait révolutionner la conception des dispositifs de mémoire nouvelle génération, avec des vitesses de fonctionnement accrues, une résilience améliorée et une facilité d’utilisation accrue. L’altermagnétisme contribuera également au développement de la supraconductivité, explique Dal Din. Pendant longtemps, il y a eu un vide dans les symétries entre ces deux domaines, et cette classe de matériaux magnétiques qui est restée évasive jusqu’à présent se révèle être ce maillon manquant dans le puzzle.
