Des scientifiques découvrent le comportement des excitons dans les aimants de Van der Waals

Un groupe de recherche dirigé par des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’énergie (DOE) a découvert des détails sur la formation et le comportement d’objets mobiles, microscopiques, semblables à des particules, appelés « excitons » dans une classe de matériaux connus sous le nom d’aimants van der Waals.

Leurs travaux permettent d’établir une image de la relation complexe entre les propriétés optiques et magnétiques de ces matériaux, qui présentent des caractéristiques intrigantes qui pourraient un jour conduire à de toutes nouvelles technologies basées sur le magnétisme, comme le stockage d’informations.

L’étude est décrite dans un article publié dans l’édition en ligne du 25 avril 2024 de la revue Nature Communications.

Les chercheurs ont étudié le matériau cristallin, le trisulfure de nickel et de phosphore (NiPS₃), en utilisant la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science située à Brookhaven. NSLS-II produit des faisceaux intenses de rayons X qui sont utilisés pour étudier une large gamme de matériaux et d’échantillons biologiques, des composés de batteries aux protéines.

Un exciton est constitué d’un électron et d’un « trou » (un espace dans un cristal dépourvu d’électron et se comportant comme une particule chargée positivement) qui sont couplés ensemble et se déplacent comme une unité. Découverte des excitons dans NiPS₃ a suscité un intérêt considérable pour ce matériel particulier de Van der Waals.

Cela est dû au lien fort possible entre les excitons et la structure magnétique sous-jacente, suggérant une voie vers la compréhension, et peut-être même le contrôle, des excitons via le magnétisme. Mais malgré plusieurs études, les scientifiques n’ont jusqu’à présent pas réussi à découvrir la structure et le mouvement des excitons dans le NiPS₃.

Le groupe a relevé ce défi en utilisant une technique de rayons X appelée diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS), disponible sur la ligne de faisceau Soft Inelastic X-ray Scattering (SIX) du NSLS-II. Cette station expérimentale de pointe a été conçue pour utiliser les faisceaux de rayons X ultra-brillants du NSLS-II afin d’étudier les propriétés électroniques des matériaux solides, révélant ainsi des comportements énergétiques à très haute résolution.

« Quelle est la nature fondamentale d’un exciton ? Comment interagit-il avec le magnétisme ? Ce sont deux des questions auxquelles nous avons demandé au RIXS de nous aider à répondre », a déclaré Mark Dean, physicien de Brookhaven, l’un des auteurs de l’article.

Dans RIXS, les photons X frappent les électrons du matériau et se dispersent dans de nombreuses directions. À SIX, les scientifiques peuvent « capturer » ces photons et mesurer leur impulsion et leur énergie avec une résolution extrêmement élevée. Grâce à ces informations, ils peuvent travailler à rebours pour étudier les propriétés des électrons et des trous dans le matériau à l’aide d’un logiciel développé à Brookhaven.

Ils ont découvert que la formation et la propagation des excitons à travers le NiPS₃ Le cristal est régi par un principe physique appelé interaction d’échange de Hund. Cette règle dicte l’énergie des différentes configurations de spin électronique, le minuscule moment magnétique « vers le haut » ou « vers le bas » porté par chaque électron. Dans NiPS₃cet échange de Hund fournit l’énergie nécessaire à la formation de l’exciton.

Les chercheurs ont également découvert que l’exciton se disperse dans le cristal d’une manière similaire à un type de perturbation de spin appelé « double magnon », une autre quasiparticule. Les magnons, qui sont des excitations collectives de spins d’électrons dans un réseau cristallin, sont une autre facette des comportements électroniques et magnétiques entrelacés dans les aimants de van der Waals.

« Dans les années à venir, à mesure que l’instrumentation et les techniques telles que RIXS et la microscopie électronique seront davantage développées, nous espérons pouvoir prendre des mesures encore meilleures du NiPS.₃“, a déclaré Wei He, chercheur postdoctoral et premier auteur de l’étude. “Nous pensons que ce matériau a un potentiel exceptionnel pour ouvrir la voie à l’utilisation des excitons magnétiques de Hund pour réaliser de nouvelles formes d’informations magnétiques contrôlables.”