L’état magnétique offre une nouvelle voie vers des dispositifs de mémoire « spintroniques » qui seraient plus rapides et plus efficaces que leurs équivalents électroniques.
Des physiciens du MIT ont mis en évidence une nouvelle forme de magnétisme qui pourrait un jour être exploitée pour fabriquer des puces mémoires « spintroniques » plus rapides, plus denses et moins gourmandes en énergie.
Ce nouvel état magnétique est un mélange de deux formes principales de magnétisme : le ferromagnétisme des aimants de réfrigérateur et des aiguilles de boussole, et l’antiferromagnétisme, dans lequel les matériaux ont des propriétés magnétiques à l’échelle microscopique mais ne sont pas magnétisés de manière macroscopique.
Aujourd’hui, l’équipe du MIT a mis en évidence une nouvelle forme de magnétisme, appelée « magnétisme à ondes p ».
Les physiciens ont observé depuis longtemps que les électrons des atomes dans les ferromagnétiques réguliers partagent la même orientation de « spin », comme autant de petites boussoles pointant dans la même direction. Cet alignement du spin génère un champ magnétique qui confère au ferromagnétique son magnétisme intrinsèque. Les électrons appartenant aux atomes magnétiques d’un antiferromagnétique ont également un spin, bien que ces spins alternent, les électrons orbitant autour des atomes voisins alignant leurs spins de manière antiparallèle les uns par rapport aux autres. Dans l’ensemble, les spins égaux et opposés s’annulent et l’antiferromagnétique ne présente pas d’aimantation macroscopique.
L’équipe a découvert le nouveau magnétisme à onde p dans l’iodure de nickel (NiI2), un matériau cristallin bidimensionnel qu’elle a synthétisé en laboratoire. Comme dans le cas d’un ferromagnétique, les électrons présentent une orientation préférentielle du spin et, comme dans le cas d’un antiferromagnétique, des populations égales de spins opposés entraînent une annulation nette. Cependant, les spins des atomes de nickel présentent un schéma unique, formant des configurations en spirale à l’intérieur du matériau qui sont des images miroir l’une de l’autre, tout comme la main gauche est l’image miroir de la main droite.
De plus, les chercheurs ont découvert que cette configuration de spin en spirale leur permettait d’effectuer une « commutation de spin » : En fonction de la direction des spins en spirale dans le matériau, ils ont pu appliquer un petit champ électrique dans une direction donnée pour inverser facilement une spirale de spins gauches en une spirale de spins droits, et vice-versa.
La capacité de changer les spins des électrons est au cœur de la « spintronique », qui est une alternative proposée à l’électronique conventionnelle. Grâce à cette approche, les données peuvent être écrites sous la forme du spin d’un électron, plutôt que sous la forme de sa charge électronique, ce qui permet potentiellement d’intégrer des ordres de grandeur de données supplémentaires dans un appareil tout en utilisant beaucoup moins d’énergie pour écrire et lire ces données.
« Nous avons montré que cette nouvelle forme de magnétisme peut être manipulée électriquement », indique Qian Song, chercheur au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT. « Cette avancée ouvre la voie à une nouvelle catégorie de dispositifs de mémoire magnétique ultrarapides, compacts, économes en énergie et non volatiles. »
Song et ses collègues ont publié leurs résultats le 28 mai dans la revue Nature. Les coauteurs du MIT sont Connor Occhialini, Batyr Ilyas, Emre Ergeçen, Nuh Gedik et Riccardo Comin, ainsi que Rafael Fernandes de l’université de l’Illinois Urbana-Champaign et des collaborateurs de plusieurs autres institutions.
Relier les points
Cette découverte s’inscrit dans le prolongement des travaux menés par le groupe de Comin en 2022. À l’époque, l’équipe avait étudié les propriétés magnétiques du même matériau, l’iodure de nickel. Au niveau microscopique, l’iodure de nickel ressemble à un réseau triangulaire d’atomes de nickel et d’iode. Le nickel est le principal ingrédient magnétique du matériau, car les électrons des atomes de nickel présentent un spin, alors que ceux des atomes d’iode n’en ont pas.
Lors de ces expériences, l’équipe a observé que les spins de ces atomes de nickel étaient disposés en spirale dans le réseau du matériau, et que cette spirale pouvait prendre deux orientations différentes.
À l’époque, M. Comin n’avait aucune idée que cette configuration unique des spins atomiques pouvait permettre une commutation précise des spins des électrons environnants. Cette possibilité a été évoquée plus tard par son collaborateur Rafael Fernandes, qui, avec d’autres théoriciens, était intrigué par l’idée récemment proposée d’un nouvel aimant non conventionnel à « ondes p », dans lequel les électrons se déplaçant dans des directions opposées dans le matériau verraient leurs spins s’aligner dans des directions opposées.
Fernandes et ses collègues ont constaté que si les spins des atomes d’un matériau forment l’arrangement géométrique en spirale que Comin a observé dans l’iodure de nickel, il s’agirait d’un aimant à « onde p ». Ainsi, lorsqu’un champ électrique est appliqué pour modifier l’orientation de la spirale, il doit également modifier l’alignement du spin des électrons qui se déplacent dans la même direction.
En d’autres termes, un tel aimant à ondes p pourrait permettre une commutation simple et contrôlable des spins des électrons, d’une manière qui pourrait être exploitée pour des applications de spintronique.
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« C’était une idée totalement nouvelle à l’époque, et nous avons décidé de la tester expérimentalement parce que nous avons réalisé que l’iodure de nickel était un bon candidat pour montrer ce type d’effet d’aimant à onde p », explique M. Comin.
Courant de spin
Pour cette nouvelle étude, l’équipe a synthétisé des paillettes monocristallines d’iodure de nickel en déposant d’abord des poudres des éléments respectifs sur un substrat cristallin, qu’elle a placé dans un four à haute température. Ce procédé permet aux éléments de se déposer en couches, chacune étant disposée de manière microscopique dans un réseau triangulaire d’atomes de nickel et d’iode.
« À la sortie du four, les échantillons ont une largeur et une épaisseur de plusieurs millimètres, comme du pain de mie », ajoute M. Comin. « Nous exfolions ensuite le matériau, en retirant des flocons encore plus petits, de plusieurs microns de large et de quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur. »
Les chercheurs voulaient savoir si, effectivement, la géométrie en spirale des spins des atomes de nickel forcerait les électrons voyageant dans des directions opposées à avoir des spins opposés, comme Fernandes s’attendait à ce qu’un aimant à onde p le fasse. Pour observer ce phénomène, le groupe a appliqué à chaque flocon un faisceau de lumière polarisée circulairement – une lumière qui produit un champ électrique tournant dans une direction particulière, par exemple, dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.
Les chercheurs ont estimé que si les électrons qui se déplacent et interagissent avec les spirales de spin ont un spin aligné dans la même direction, la lumière entrante, polarisée dans cette même direction, devrait entrer en résonance et produire un signal caractéristique. Un tel signal confirmerait que les spins des électrons voyageurs s’alignent en raison de la configuration en spirale et, en outre, que le matériau présente effectivement un magnétisme d’onde p.
Et c’est effectivement ce que le groupe a découvert. Lors d’expériences menées avec plusieurs flocons d’iodure de nickel, les chercheurs ont directement observé que la direction du spin des électrons était corrélée à l’orientation de la lumière utilisée pour exciter ces électrons. Il s’agit là d’une signature révélatrice du magnétisme à onde p, observée ici pour la première fois.
Allant plus loin, ils ont cherché à savoir s’ils pouvaient modifier le spin des électrons en appliquant un champ électrique, ou une faible tension, dans différentes directions à travers le matériau. Ils ont constaté que lorsque la direction du champ électrique était alignée sur la direction de la spirale de spin, l’effet changeait les électrons le long de la route pour qu’ils tournent dans la même direction, produisant un courant d’électrons tournant dans le même sens.
« Avec un tel courant de spin, on peut faire des choses intéressantes au niveau du dispositif, par exemple inverser des domaines magnétiques qui peuvent être utilisés pour contrôler un bit magnétique », précise M. Comin. « Ces effets spintroniques sont plus efficaces que l’électronique conventionnelle, car il s’agit de déplacer des spins plutôt que des charges. Cela signifie qu’il n’y a pas d’effets de dissipation qui génèrent de la chaleur, ce qui est essentiellement la raison pour laquelle les ordinateurs chauffent. »
« Il suffit d’un petit champ électrique pour contrôler cette commutation magnétique », commente M. Song. « Les aimants à ondes P pourraient permettre d’économiser cinq ordres de grandeur d’énergie, ce qui est énorme. C’est énorme. »
« Nous sommes ravis de voir ces expériences de pointe confirmer notre prédiction d’états polarisés en spin par l’onde p », dit pour sa part Libor Šmejkal, directeur du groupe de recherche Max Planck à Dresde, en Allemagne, qui est l’un des auteurs du travail théorique qui a proposé le concept de magnétisme par l’onde p, mais qui n’a pas participé à ce nouvel article. « La démonstration d’une polarisation de spin à onde p commutable électriquement met également en évidence les applications prometteuses des états magnétiques non conventionnels ».
L’équipe a observé le magnétisme à ondes p dans des flocons d’iodure de nickel, mais uniquement à des températures ultra-froides d’environ 60 kelvins.
« Cela correspond à des températures inférieures à celles de l’azote liquide, ce qui n’est pas nécessairement pratique pour les applications », conclut M. Comin. « Mais maintenant que nous avons réalisé ce nouvel état du magnétisme, la prochaine frontière est de trouver un matériau avec ces propriétés, à température ambiante. Nous pourrons alors l’appliquer à un dispositif de spintronique ».
Légende illustration : L’ordre magnétique en spirale (flèches bleu clair) sur le réseau triangulaire de NiI2 (les sphères noires représentent les atomes de Ni) permet un magnétisme à ondes p commutable électriquement (lignes blanches en dents de scie). Les électrons de spin-up (points orange) et de spin-down (points bleus) se propagent dans des directions opposées et inversent leur trajectoire lorsque l’ordre magnétique en spirale est inversé (gauche ou droite).
Article : « Electrical switching of a p-wave magnet » – DOI : 10.1038/s41586-025-09034-7
