Des physiciens observent pour la première fois une nouvelle forme de magnétisme
Par Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology
Édité par Lisa Lock, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
L'ordre magnétique spiralé (flèches bleu clair) sur le réseau triangulaire de NiI2 (les sphères noires représentent les atomes de Ni) permet un magnétisme d'onde p électriquement commutable (lignes blanches en dents de scie). Les électrons à spin haut (points orange) et à spin bas (points bleus) se propagent en sens inverse et inversent leurs trajectoires lorsque l'orientation de l'ordre magnétique spiralé est inversée (gauche/droite). Crédit : Massachusetts Institute of Technology
Des physiciens du MIT ont démontré une nouvelle forme de magnétisme qui pourrait un jour être exploitée pour construire des puces mémoire « spintroniques » plus rapides, plus denses et moins gourmandes en énergie.
Le nouvel état magnétique est une combinaison de deux formes principales de magnétisme : le ferromagnétisme des aimants de réfrigérateur et des aiguilles de boussole du quotidien, et l’antiferromagnétisme, dans lequel les matériaux possèdent des propriétés magnétiques à l’échelle microscopique, sans être magnétisés macroscopiquement.
L’équipe du MIT a récemment démontré une nouvelle forme de magnétisme, appelée « magnétisme d’onde p ».
Les physiciens observent depuis longtemps que les électrons des atomes des matériaux ferromagnétiques classiques partagent la même orientation de « spin », comme autant de minuscules boussoles pointant dans la même direction. Cet alignement de spin génère un champ magnétique qui confère au matériau ferromagnétique son magnétisme inhérent.
Les électrons des atomes magnétiques d’un matériau antiferromagnétique possèdent également un spin, bien que ces spins alternent, les électrons en orbite autour des atomes voisins alignant leurs spins de manière antiparallèle. Pris ensemble, les spins égaux et opposés s’annulent, et le matériau antiferromagnétique ne présente pas d’aimantation macroscopique.
L'équipe a découvert le nouveau magnétisme de l'onde p dans l'iodure de nickel (NiI2), un matériau cristallin bidimensionnel synthétisé en laboratoire. À l'instar d'un ferromagnétique, les électrons présentent une orientation de spin préférentielle et, à l'instar d'un antiferromagnétique, des populations égales de spins opposés entraînent une annulation nette. Cependant, les spins des atomes de nickel présentent une configuration unique, formant des configurations en spirale au sein du matériau, images miroir les unes des autres, un peu 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 de réaliser une « commutation de spin » : selon la direction des spins en spirale dans le matériau, ils pouvaient appliquer un faible champ électrique dans une direction correspondante pour transformer facilement une spirale de spins gauche en spirale de spins droite, et inversement.
La capacité à commuter les spins des électrons est au cœur de la « spintronique », 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 de sa charge électronique, ce qui permet potentiellement de stocker des quantités de données bien plus importantes sur un dispositif tout en consommant beaucoup moins d'énergie pour l'écriture et la lecture.
« Nous avons démontré que cette nouvelle forme de magnétisme peut être manipulée électriquement », explique Qian Song, chercheur au Laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT. « Cette avancée ouvre la voie à une nouvelle classe 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. Parmi les co-auteurs du MIT figurent Connor Occhialini, Batyr Ilyas, Emre Ergeçen, Nuh Gedik et Riccardo Comin, ainsi que Rafael Fernandes de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et des collaborateurs de plusieurs autres institutions.
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Connecter les points
Cette découverte s'inscrit dans le prolongement des travaux menés par l'équipe de Comin en 2022. À l'époque, l'équipe avait étudié les propriétés magnétiques du même matériau, l'iodure de nickel. À l'échelle 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, contrairement à ceux des atomes d'iode.
Lors de ces expériences, l'équipe a observé que les spins de ces atomes de nickel étaient disposés en spirale sur l'ensemble du réseau du matériau, et que ce motif pouvait spiraler selon deux orientations différentes.
À l'époque, Comin ignorait que ce schéma unique de 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, a été intrigué par une idée récemment proposée concernant un nouvel aimant non conventionnel à « ondes p », dans lequel les électrons se déplaçant dans des directions opposées dans le matériau auraient leurs spins alignés dans des directions opposées.
Fernandes et ses collègues ont reconnu que si les spins des atomes d'un matériau forment la spirale géométrique arr
Fernandes et ses collègues ont compris que si les spins des atomes d'un matériau formaient l'arrangement géométrique en spirale observé par Comin dans l'iodure de nickel, cela constituerait la réalisation d'un aimant à onde p. Ensuite, lorsqu'un champ électrique est appliqué pour inverser le sens de la spirale, il devrait également inverser l'alignement des spins des électrons voyageant dans la même direction.
En d'autres termes, un tel aimant à onde p pourrait permettre une commutation simple et contrôlable des spins des électrons, d'une manière exploitable pour des applications spintroniques.
« C'était une idée totalement nouvelle à l'époque, et nous avons décidé de la tester expérimentalement car nous avons réalisé que l'iodure de nickel était un bon candidat pour démontrer ce type d'effet d'aimant à onde p », explique Comin.
Courant de spin
Pour leur 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'ils ont placé dans un four à haute température. Ce processus entraîne la sédimentation des éléments en couches, chacune disposée microscopiquement dans un réseau triangulaire d'atomes de nickel et d'iode.
« On obtient des échantillons de plusieurs millimètres de large et d'une épaisseur comparable à celle d'un pain de mie », explique Comin. « Nous exfolions ensuite le matériau, en prélevant des paillettes encore plus petites, chacune de plusieurs microns de large et de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur.»
Les chercheurs voulaient savoir si, effectivement, la géométrie spiralée des spins des atomes de nickel forcerait les électrons voyageant en sens inverse à avoir des spins opposés, comme Fernandes l'espérait pour un aimant à onde p. Pour observer ce phénomène, l'équipe a appliqué à chaque paillettes un faisceau de lumière polarisée circulairement, produisant un champ électrique tournant dans une direction particulière, par exemple dans le sens horaire ou antihoraire.
Ils ont estimé que si les électrons voyageant en interaction avec les spirales de spin avaient un spin aligné dans la même direction, alors la lumière incidente, polarisée dans cette même direction, devrait résonner et produire un signal caractéristique. Un tel signal confirmerait que les spins des électrons en mouvement s'alignent grâce à la configuration en spirale et, de plus, que le matériau présente bien un magnétisme d'onde p.
Et c'est bien ce que l'équipe a découvert. Lors d'expériences avec plusieurs paillettes d'iodure de nickel, les chercheurs ont directement observé que la direction du spin de l'électron était corrélée à la direction de la lumière utilisée pour exciter ces électrons. Il s'agit d'une signature révélatrice du magnétisme d'onde p, observée ici pour la première fois.
Allant plus loin, ils ont cherché à savoir s'il était possible de faire basculer les spins 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 avec la direction de la spirale de spin, l'effet faisait basculer les électrons le long du trajet pour qu'ils tournent dans la même direction, produisant un courant d'électrons à rotation similaire.
« Avec un tel courant de spin, on peut réaliser des choses intéressantes au niveau du dispositif ; par exemple, on pourrait inverser des domaines magnétiques pour contrôler un bit magnétique », explique Comin. « Ces effets spintroniques sont plus efficaces que l'électronique conventionnelle, car il s'agit simplement de déplacer des spins, et non des charges. Cela signifie qu'on n'est soumis à aucun effet de dissipation générant de la chaleur, ce qui est essentiellement la cause de la surchauffe des ordinateurs.»
« Il suffit d'un faible champ électrique pour contrôler cette commutation magnétique », ajoute Song. « Les aimants à onde P pourraient économiser cinq ordres de grandeur d'énergie. Ce qui est énorme.»
« Nous sommes ravis de voir ces expériences de pointe confirmer notre prédiction d'états polarisés en spin à onde P », déclare Libor Šmejkal, directeur du groupe de recherche Max Planck à Dresde, en Allemagne, qui est l'un des auteurs des travaux théoriques à l'origine du concept de magnétisme à onde P, mais qui n'a pas participé à la nouvelle étude. « La démonstration de la 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 de l'onde p dans des paillettes d'iodure de nickel, uniquement à des températures extrêmement froides, d'environ 60 kelvins.
« C'est inférieur à l'azote liquide, ce qui n'est pas forcément pratique pour les applications », explique Comin. « Mais maintenant que nous avons découvert ce nouvel état du magnétisme, la prochaine étape consiste à trouver un matériau possédant ces propriétés, à température ambiante. »
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RESUME
Des servent pour la première fois une nouvelle forme de magnétisme.
Des physiciens du MIT ont démontré une nouvelle forme de magnétisme qui pourrait un jour être exploitée pour construire des puces mémoire « spintroniques » plus rapides, plus denses et moins gourmandes en énergie.
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COMMENTAIES
Bravo pour le résultat scientifique mais si ce nouveau type de magnétisme ilplique des temperatures trop basses il aura peu de chances de trouver des applications courantes voire industrielles
Je rappelle à mes élèves
que ce fiit d ailleurs le memle cas pour la découverte des supra concteurs a température ambiante .
Plus de 200 scientifiques d'une vingtaine d'organismes de recherche et d'industriels sont mobilisés à ces fins. Les supraconducteurs sont des matériaux qui se distinguent notamment par des propriétés électriques et magnétiques particulières, qui les rendent aptes à supporter des courants d'intensité très élevée.
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More information: Qian Song et al, Electrical switching of a p-wave magnet , Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09034-7
Journal information: Nature
Provided by Massachusetts Institute of Technology
This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.
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