Des chercheurs réinventent le contrôle du magnétisme sans laser

Dans une avancée significative pour la physique des matériaux, des chercheurs en Allemagne et aux États-Unis ont démontré théoriquement que l’état magnétique d’un matériau extrêmement mince, l’α-RuCl3, peut être contrôlé simplement en le plaçant dans une cavité optique.

Cette découverte pourrait ouvrir la voie à de nouvelles méthodes de contrôle des propriétés des matériaux sans l’utilisation de lasers intenses.

Le rôle des fluctuations du vide optique

Crucialement, les fluctuations du vide de la cavité seules sont suffisantes pour changer l’ordre magnétique du matériau d’un antiferromagnétisme en zigzag en un ferromagnétisme. Cette découverte, publiée dans npj Computational Materials, s’inscrit dans une tendance récente de la recherche en physique des matériaux qui consiste à utiliser une lumière laser intense pour modifier les propriétés des matériaux magnétiques.

En ajustant soigneusement les propriétés de la lumière laser, les chercheurs ont réussi à modifier radicalement la conductivité électrique et les propriétés optiques de différents matériaux. Cependant, cette méthode nécessite une stimulation continue par des lasers de haute intensité et est associée à certains problèmes pratiques, principalement la difficulté d’empêcher le matériau de chauffer.

Une nouvelle approche pour le contrôle des matériaux

Les chercheurs cherchent donc des moyens d’obtenir un contrôle similaire des matériaux à l’aide de la lumière, mais sans utiliser de lasers intenses. C’est dans ce contexte que des théoriciens de l’Institut Max Planck pour la Structure et la Dynamique de la Matière (MPSD) à Hambourg, en Allemagne, de l’Université Stanford et de l’Université de Pennsylvanie (toutes deux aux États-Unis) ont proposé une approche fondamentalement différente pour changer les propriétés magnétiques d’un matériau réel dans une cavité – sans l’utilisation de la lumière laser.

Leur collaboration montre que la cavité seule suffit pour transformer l’antiferromagnétisme en zigzag de l’α-RuCl3 en un ferromagnétisme. De manière cruciale, l’équipe démontre que même dans une cavité apparemment sombre, l’α-RuCl3 détecte les modifications de l’environnement électromagnétique et change son état magnétique en conséquence.

En synthèse

Cet effet est purement quantique, résultant du fait que dans la théorie quantique, la cavité vide (techniquement appelée l’état de vide) n’est jamais vraiment vide. Au contraire, le champ lumineux fluctue de telle sorte que les particules de lumière apparaissent et disparaissent, ce qui à son tour affecte les propriétés du matériau.

« La cavité optique confine le champ électromagnétique à un très petit volume, augmentant ainsi le couplage effectif entre la lumière et le matériau », explique l’auteur principal Emil Viñas Boström, chercheur postdoctoral dans le groupe de théorie du MPSD. « Nos résultats montrent que l’ingénierie soignée des fluctuations du vide du champ électrique de la cavité peut entraîner des changements drastiques dans les propriétés magnétiques d’un matériau. »

Comme aucune excitation lumineuse n’est nécessaire, l’approche contourne en principe les problèmes associés à la conduite continue par laser. Il s’agit du premier travail démontrant un tel contrôle de la cavité sur le magnétisme dans un matériau réel, et fait suite à des recherches précédentes sur le contrôle de la cavité des matériaux ferroélectriques et supraconducteurs.

Les chercheurs espèrent que la conception de cavités spécifiques les aidera à réaliser de nouvelles phases de matière insaisissables et à mieux comprendre l’interaction délicate entre la lumière et la matière.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’α-RuCl3 ?

L’α-RuCl3 est un matériau extrêmement mince dont l’état magnétique peut être contrôlé en le plaçant dans une cavité optique.

Qu’est-ce qu’une cavité optique ?

Une cavité optique est un espace où le champ électromagnétique est confiné. Les fluctuations du vide de cette cavité peuvent modifier l’ordre magnétique d’un matériau.

Qu’est-ce que le ferromagnétisme et l’antiferromagnétisme en zigzag ?

Le ferromagnétisme est un type d’aimantation où tous les moments magnétiques sont alignés. L’antiferromagnétisme en zigzag est un état où les moments magnétiques sont disposés en zigzag.

Comment la lumière laser a-t-elle été utilisée pour modifier les propriétés ?

En ajustant soigneusement les propriétés de la lumière laser, les chercheurs ont réussi à modifier radicalement la conductivité électrique et les propriétés optiques de différents matériaux.

Qu’est-ce que l’effet quantique dans ce contexte ?

C’est un effet résultant du fait que dans la théorie quantique, la cavité vide n’est jamais vraiment vide. Le champ lumineux fluctue de telle sorte que les particules de lumière apparaissent et disparaissent, ce qui à son tour affecte les propriétés du matériau.

Principaux enseignements

Références

Sources : npj Computational Materials, Institut Max Planck pour la Structure et la Dynamique de la Matière, Université Stanford, Université de Pennsylvanie

Légende illustration principale : À l’intérieur de la cavité optique, des particules de lumière apparaissent et disparaissent. Ces fluctuations peuvent modifier l’ordre magnétique de l’α-RuCl3, qui passe d’un antiferromagnétique en zigzag à un ferromagnétique. Crédit J. Harms, MPSD

Article : « Controlling the magnetic state of the proximate quantum spin liquid α-RuCl3 with an optical cavity » – DOI: 10.1038/s41524-023-01158-6