Pour construire les ordinateurs ultra-rapides de demain, les scientifiques ne s’intéressent plus seulement à la charge électrique des électrons, mais à une autre propriété : leur spin. Alors que le matériel conventionnel repose entièrement sur le mouvement de la charge pour traiter les données, la capacité d’exploiter cette propriété quantique intrinsèque pourrait permettre aux chercheurs de réinventer complètement la manière dont l’information circule dans un circuit.
Aujourd’hui, une équipe dirigée par Madhab Neupane, professeur de physique à l’UCF, a identifié un candidat prometteur. Neupane et ses collaborateurs ont trouvé des preuves d’altermagnétisme, une forme émergente de magnétisme qui combine des caractéristiques utiles des deux types de magnétisme les plus connus : le ferromagnétisme et l’antiferromagnétisme.
Le ferromagnétisme produit le comportement que la plupart des gens associent aux aimants du quotidien. Dans ces matériaux, les moments magnétiques s’alignent dans la même direction, créant un champ magnétique. Cette propriété peut être utile en électronique, mais les champs magnétiques parasites qui en résultent peuvent interférer avec les composants voisins.
Les antiferromagnétiques se comportent différemment. Leurs moments magnétiques pointent dans des directions opposées et s’annulent mutuellement, ce qui évite en grande partie les champs parasites. Toutefois, ils sont dépourvus de certaines propriétés électroniques utiles que l’on trouve dans les ferromagnétiques.
Les altermagnets offrent une autre possibilité en combinant les caractéristiques souhaitables des deux.
Comme les antiferromagnétiques, ils peuvent éviter de produire des champs magnétiques parasites indésirables. Mais ils peuvent aussi générer et détecter des courants de spin — le déplacement des spins électroniques à travers un matériau — que les chercheurs espèrent exploiter pour l’électronique de demain.
Neupane et ses collaborateurs ont identifié expérimentalement les signatures de cet état magnétique inhabituel dans le Co₁/₄TaSe₂, un matériau en couches contenant des atomes de cobalt magnétiques. Cette découverte offre aux chercheurs une plateforme prometteuse et polyvalente pour étudier l’altermagnétisme et pourrait contribuer à faire progresser les futures technologies électroniques et spintroniques.
« Ces matériaux se distinguent des antiferromagnétiques plus conventionnels par leur capacité à générer et à détecter des courants de spin sans l’effet négatif de produire des champs parasites », déclare Neupane. « Cette nouvelle propriété les place dans une position très favorable pour de nombreuses applications différentes — notamment la spintronique, les dispositifs de mémoire ultra-rapides, les réseaux térahertz et l’électronique économe en énergie. »
Suivre les signes de l’altermagnétisme
Pour déterminer si le Co₁/₄TaSe₂ présentait de l’altermagnétisme, les chercheurs devaient examiner le comportement de ses électrons.
Ils ont utilisé une technique appelée spectroscopie de photoémission résolue en angle, ou ARPES, qui permet aux scientifiques de mesurer l’énergie et le déplacement des électrons et de cartographier la structure électronique d’un matériau.
Notre approche consistait à utiliser des méthodes à plus haute résolution, insensibles au spin de l’électron, pour mesurer la division des niveaux d’énergie », déclare Neupane. « Nous avons ensuite complété cette mesure par de l’ARPES résolue en spin afin de déterminer de manière concluante si cela ressemble à de l’altermagnétisme. »
L’équipe a d’abord détecté une division caractéristique dans les bandes électroniques du matériau. Elle a ensuite utilisé l’ARPES résolue en spin pour y regarder de plus près et a constaté que ces états divisés portaient des polarisations de spin opposées, preuve déterminante de l’altermagnétisme.
Observer clairement ce comportement représentait un autre défi. Les mesures de photoémission sont extrêmement sensibles à la surface d’un matériau, les chercheurs avaient donc besoin d’échantillons exceptionnellement propres pour observer avec précision ce qui se produisait.
Alors que les collaborateurs produisaient des échantillons de Co₁/₄TaSe₂ de haute qualité, l’équipe de Neupane les a soigneusement sélectionnés pour leurs surfaces ultra-propres avant de cartographier le comportement électronique du matériau.
« L’importance est devenue évidente lorsque les mesures expérimentales ont systématiquement correspondu à nos prédictions théoriques », déclare Neupane. « Voir ces éléments de preuve indépendants converger nous a donné la certitude d’avoir identifié un véritable altermagnet en couches. »
Pourquoi les matériaux en couches changent la donne
La mise en évidence de l’altermagnétisme n’était qu’un des aspects qui rendaient le Co₁/₄TaSe₂ intéressant aux yeux des chercheurs.
Ce matériau est constitué de couches extrêmement fines empilées les unes sur les autres. Comme ces couches sont faiblement liées, les scientifiques peuvent les séparer et les combiner en structures extrêmement fines, ce qui rend les matériaux en couches prometteurs pour les dispositifs à couches minces et d’autres technologies émergentes.
Les scientifiques appellent cette famille de matériaux en couches les dichalcogénures de métaux de transition, ou TMD.
Dans le Co₁/₄TaSe₂, les atomes de cobalt magnétiques insérés entre les couches contribuent à créer les propriétés magnétiques inhabituelles du matériau. Sa structure en couches rend également le matériau très ajustable, ce qui permet aux chercheurs de le modifier et d’étudier comment ces changements affectent son comportement électronique et magnétique.
L’équipe voulait aussi comprendre d’où provenait ce comportement électronique inhabituel. Avant cette étude, on ne savait pas si les signatures clés de l’altermagnétisme dans les matériaux en couches proviendraient principalement de la surface ou de plus profondément dans le matériau.
Leurs mesures ont montré que l’état électronique concerné provenait principalement de l’intérieur même du matériau et présentait des signatures claires d’un ordre altermagnétique.
« La preuve de l’altermagnétisme dans une plateforme de matériaux polyvalente ouvre de nombreuses possibilités nouvelles », déclare Milo Sprague, chercheur étudiant de troisième cycle principal de l’étude. « La théorie altermagnétique fait actuellement l’objet de nombreux débats sur la manière dont les états électroniques polarisés en spin interagissent avec d’autres phénomènes magnétiques. Nous disposons désormais d’un matériau que nous pouvons facilement modifier pour explorer ces nouvelles questions. »
Poser les fondations des technologies de demain
La plupart des appareils électroniques conventionnels reposent sur la charge électrique des électrons pour transmettre et traiter l’information. Mais les électrons possèdent une autre propriété, leur spin, que les chercheurs explorent comme un autre moyen de transporter l’information.
Ce domaine émergent est connu sous le nom de spintronique.
Les altermagnets pourraient être particulièrement utiles à la spintronique, car ils peuvent générer et détecter des courants de spin sans produire les champs magnétiques parasites susceptibles d’interférer avec des composants électroniques densément regroupés.
« À mesure que les dispositifs électroniques continuent de rétrécir, les chercheurs ont besoin de nouveaux matériaux capables de fonctionner plus vite tout en consommant moins d’énergie », déclare Neupane.
Les matériaux en couches font déjà l’objet de recherches pour une utilisation dans des transistors extrêmement petits, des technologies optiques et d’autres dispositifs électroniques. Parallèlement, les chercheurs examinent si les courants de spin peuvent offrir de nouveaux moyens de transmettre l’information numérique.
Les altermagnets en couches pourraient rapprocher ces deux domaines de recherche, en fournissant des matériaux extrêmement fins et adaptables, capables de contrôler le spin des électrons sans produire les mêmes interférences magnétiques indésirables que les aimants conventionnels.
« Si cette approche s’avère viable, les altermagnets en couches seront à l’avant-garde du développement de l’électronique », déclare Neupane.
Ce que les chercheurs ignorent encore
L’étude offre aux chercheurs quelque chose de particulièrement précieux : un matériau qu’ils peuvent utiliser pour étudier les nombreuses questions sans réponse entourant l’altermagnétisme dans le Co₁/₄TaSe₂.
Les scientifiques ne comprennent pas encore pleinement pourquoi cet état magnétique inhabituel se forme, ni pourquoi il peut devenir favorisé par rapport à d’autres structures magnétiques possibles — notamment le ferromagnétisme et d’autres formes d’antiferromagnétisme —, ni comment il se comporte.
Des études théoriques suggèrent que la compétition entre différentes interactions entre électrons pourrait contribuer à déterminer quel état magnétique se forme, mais les chercheurs s’efforcent encore de déterminer dans quelle mesure ces théories décrivent le comportement des matériaux réels.
« De nombreux détails de la théorie du fonctionnement des altermagnets n’ont pas encore été explorés ni vérifiés », déclare Neupane. « Maintenant que nous avons identifié plusieurs plateformes pour répondre à ces questions, des études plus avancées sur ces matériaux sont en cours. »
Parce que les scientifiques peuvent modifier le Co₁/₄TaSe₂ et observer l’évolution de ses propriétés, ce matériau offre aux chercheurs une nouvelle plateforme expérimentale pour étudier les questions sans réponse et explorer la manière dont l’altermagnétisme interagit avec d’autres phénomènes magnétiques et électroniques.
Article : Observation of Altermagnetic Spin-Splitting in an Intercalated Transition Metal Dichalcogenide – Journal : Nature Communications – Méthode : Observational study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Central Florida U
