Au cœur de certaines molécules magnétiques, les atomes arrangent leurs spins en spirale, formant des structures appelées helimagnets chiraux. Ces structures hélicoïdales intriguent les chercheurs depuis des années en raison de leur potentiel d’alimentation de l’électronique de la prochaine génération. Mais le décodage de leurs propriétés est resté un mystère, jusqu’à aujourd’hui.
Des chercheurs de l’université de Californie à San Diego ont mis au point une nouvelle approche informatique permettant de modéliser et de prédire avec précision ces structures de spin complexes à l’aide de calculs de mécanique quantique.
« Les structures de spin hélicoïdales dans les matériaux bidimensionnels en couches sont observées expérimentalement depuis plus de 40 ans. Les prédire avec précision est un défi de longue date », a indiqué Kesong Yang, professeur au département d’ingénierie chimique et nanotechnologique de la famille Aiiso Yufeng Li de l’école d’ingénierie Jacobs de l’université de San Diego et auteur principal de l’étude. « La période hélicoïdale du composé stratifié s’étend jusqu’à 48 nanomètres, ce qui rend extrêmement difficile le calcul précis de toutes les interactions entre les électrons et les spins à cette échelle. »
Dans cette approche, les chercheurs ont calculé comment l’énergie totale d’un aimant hélicoïdal chiral change lorsque la rotation du spin se déplace entre les couches successives d’atomes. En appliquant des calculs de mécanique quantique de premier principe, ils ont pu cartographier les caractéristiques critiques de ces structures en spirale.
« Plutôt que de modéliser l’ensemble du système à une grande échelle de longueur, nous avons choisi de nous concentrer sur la manière dont la rotation du spin affecte l’énergie totale du système », explique Yun Chen, premier auteur de l’étude et doctorant en nano-ingénierie dans le groupe de Yang. « En utilisant une petite supercellule et en concevant des configurations de spin optimisées, nous avons pu obtenir des résultats très précis. »
Les chercheurs ont testé leur approche sur un groupe d’électro-aimants chiraux contenant du chrome, un métal connu pour ses propriétés magnétiques. L’équipe a réussi à prédire trois paramètres clés : le vecteur d’onde de l’hélice, qui décrit l’étroitesse de la spirale des spins ; la période de l’hélice, ou la longueur d’un tour complet de la spirale ; et le champ magnétique critique, c’est-à-dire l’intensité d’un champ externe nécessaire pour modifier la structure de l’électro-aimant hélicoïdal.
« C’est passionnant parce que nous pouvons maintenant modéliser avec précision ces structures de spin complexes à l’aide de calculs de mécanique quantique, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour la conception de matériaux plus performants », a déclaré M. Yang.
Article : « First-Principles Approach for Predicting Chiral Helimagnetism » – DOI: 10.1002/adfm.202501665
Légende : Illustration de la façon dont la rotation du spin modifie l’énergie totale d’un système héliomagnétique. Crédit Kesong Yang lab
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