Étude : Un capteur quantique pourrait identifier un nouveau type de magnétisme

Tom Dinki

Pendant près d’un siècle, il existait deux types d’aimants connus. Les ferromagnets sont les aimants classiques qui attirent le métal et maintiennent les images accrochées au réfrigérateur. Les antiferromagnets cachent leur magnétisme à l’échelle atomique, mais sont de plus en plus prisés pour leur potentiel technologique. 

Une troisième catégorie découverte au cours de la dernière décennie pourrait combiner les meilleures qualités des deux. Surnommés altermagnets, ils pourraient un jour contribuer à créer une électronique plus rapide et plus économe en énergie. 

Désormais, des physiciens de l’Université de Buffalo proposent un système de détection quantique pour simplifier l’identification des altermagnets.

Décrite dans une étude publiée dans Physical Review Letters, cette technique théorique mesurerait comment un altermagnet présumé perturbe un minuscule défaut magnétique dans un diamant voisin. La façon dont le signal magnétique du défaut se relâche pourrait fournir la preuve de l’altermagnétisme. 

« Cela pourrait être la première pierre d’une nouvelle génération d’expériences déterminant si un matériau est un altermagnet, » explique Jamir Marino, PhD, professeur assistant au département de physique de l’UB, College of Arts and Sciences. « Les altermagnets pourraient complètement révolutionner la façon dont nous transportons l’information, mais pour confirmer si cette théorie élégante est vraie, nous avons besoin d’expériences qui identifient les altermagnets et confirment qu’ils se comportent comme les scientifiques le prédisent. » 

Les co-auteurs de l’étude incluent les anciens collègues de Marino, Libor Šmejkal et Jairo Sinova, physiciens à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence qui ont les premiers proposé les altermagnets.

« Cette technique de détection pourrait devenir un outil très important pour explorer les matériaux altermagnétiques candidats, » explique Sinova. « Elle offre des avantages par rapport aux techniques expérimentales conventionnelles en détectant de subtiles configurations magnétiques directionnelles à travers différentes régions d’un matériau sans le perturber significativement. »

Pas le genre d’aimant de votre grand-père

En 2019, l’équipe de Mayence a découvert un effet qu’elle ne pouvait expliquer ni par les ferromagnets ni par les antiferromagnets. Leurs calculs suggéraient qu’un composé appelé dioxyde de ruthénium ne devrait avoir aucune magnétisation nette, comme un antiferromagnet, mais se comporterait comme un ferromagnet soumis à un courant électrique.

Ainsi est né le concept d’altermagnétisme.

Dans les aimants ordinaires, les atomes et leurs spins électroniques sont généralement organisés selon des motifs simples. Dans les ferromagnets, les spins électroniques voisins s’alignent tous dans la même direction, produisant un champ magnétique externe. Ces spins alignés peuvent également être inversés relativement facilement, créant des états distincts souvent utilisés pour la mémoire informatique.

Dans les antiferromagnets, les spins voisins pointent dans des directions opposées, annulant tout magnétisme global. Cet arrangement en quinconce est plus difficile à manipuler mais peut basculer beaucoup plus rapidement, permettant potentiellement un stockage et un traitement de l’information plus économes en énergie.

Les altermagnets sont plus complexes. Bien que leur magnétisme s’annule globalement comme dans les antiferromagnets, leur structure atomique amène les électrons à se comporter de manière généralement associée aux ferromagnets.

« Cet arrangement permet aux altermagnets de combiner le comportement de commutation rapide des antiferromagnets avec certaines des propriétés électroniques plus facilement contrôlables des ferromagnets, » affirme Marino.

Les diamants sont les meilleurs amis du physicien

L’équipe de Mayence et d’autres chercheurs ont observé expérimentalement des signatures d’altermagnétisme dans plusieurs matériaux. Mais les prédictions théoriques suggèrent que plus de 200 matériaux pourraient être altermagnétiques — soit plus du double du nombre de matériaux ferromagnétiques connus.

C’est pourquoi l’équipe de Marino a développé son système de détection quantique. Il s’agit de placer un altermagnet présumé à côté d’un diamant contenant un minuscule défaut magnétique créé par un atome d’azote et un atome de carbone voisin manquant. De tels défauts sont extraordinairement sensibles au comportement magnétique environnant.

Les chercheurs feraient tourner le spin magnétique du défaut dans plusieurs directions et mesureraient sa vitesse de relaxation. Si le défaut se relâche plus rapidement dans certaines directions que dans d’autres, cela pourrait fournir la preuve du motif de spin inhabituellement complexe prédit pour les altermagnets.

Essentiellement, le système de détection quantique serait moins invasif que de nombreuses méthodes existantes pour sonder l’altermagnétisme. 

« Vous ne voulez pas que votre mesure perturbe fortement le matériau que vous étudiez, car il devient plus difficile de distinguer si vous observez le comportement naturel du matériau ou un comportement causé par l’expérience, » dit Marino.

Marino souligne que le système de détection n’existe actuellement qu’en théorie, développé à l’aide de modèles avancés simulant la dynamique quantique. Des expériences seront encore nécessaires pour confirmer s’il peut détecter de manière fiable l’altermagnétisme.

« Identifier efficacement les matériaux altermagnétiques est une étape cruciale pour pouvoir un jour les utiliser dans l’électronique, » explique Marino. « Les altermagnets rendraient le transport de l’information radicalement plus efficace. Cela pourrait permettre à la technologie de réduire sa taille et d’être moins gourmande en énergie. »

Les autres co-auteurs incluent Hossein Hosseinabadi, PhD, un ancien étudiant diplômé du laboratoire de Marino qui est maintenant un chercheur postdoctoral indépendant distingué à l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes en Allemagne, et V.A.S.V. Bittencourt de l’Université de Strasbourg/Institut Max Planck pour la science de la lumière. 

Article : Quantum Impurity Sensing of Altermagnetic Order – Journal : Physical Review Letters – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude

Source : Buffalo U.