La recherche démontre un nouveau type de ferromagnétisme avec un alignement complètement différent des moments magnétiques

Pour qu’un aimant adhère à la porte d’un réfrigérateur, plusieurs effets physiques à l’intérieur doivent fonctionner parfaitement ensemble. Les moments magnétiques de ses électrons pointent tous dans la même direction, même si aucun champ magnétique externe ne les y oblige.

Cela se produit à cause de ce que l’on appelle l’interaction d’échange, une combinaison de répulsion électrostatique entre les électrons et d’effets de mécanique quantique des spins électroniques, qui, à leur tour, sont responsables des moments magnétiques. C’est une explication courante du fait que certains matériaux comme le fer ou le nickel sont ferromagnétiques ou magnétiques en permanence, à condition de ne pas les chauffer au-dessus d’une température particulière.

À l’ETH de Zurich, une équipe de chercheurs dirigée par Ataç Imamoğlu de l’Institut d’électronique quantique et Eugene Demler de l’Institut de physique théorique a détecté un nouveau type de ferromagnétisme dans un matériau produit artificiellement, dans lequel l’alignement des moments magnétiques se produit d’une manière complètement différente. Ils ont récemment publié leurs résultats dans la revue Nature.

Matériau artificiel rempli d’électrons

Dans le laboratoire d’Imamoğlu, doctorat. L’étudiant Livio Ciorciaro, le post-doctorant Tomasz Smolenski et ses collègues ont produit un matériau spécial en superposant des couches atomiquement minces de deux matériaux semi-conducteurs différents (diséléniure de molybdène et disulfure de tungstène).

Dans le plan de contact, les différentes constantes de réseau des deux matériaux – la séparation entre leurs atomes – conduisent à la formation d’un potentiel périodique bidimensionnel avec une grande constante de réseau (trente fois supérieure à celle des deux semi-conducteurs), qui peut être rempli d’électrons en appliquant une tension électrique.

“De tels matériaux moirés ont suscité un grand intérêt ces dernières années, car ils peuvent très bien être utilisés pour étudier les effets quantiques des électrons en forte interaction”, explique Imamoğlu. “Cependant, jusqu’à présent, on savait très peu de choses sur leurs propriétés magnétiques.”

Pour étudier ces propriétés magnétiques, Imamoğlu et ses collègues ont mesuré si, pour un certain électron remplissant le matériau moiré, il était paramagnétique, avec ses moments magnétiques orientés de manière aléatoire, ou ferromagnétique. Ils ont éclairé le matériau avec une lumière laser et mesuré la force avec laquelle la lumière était réfléchie pour différentes polarisations.

La polarisation indique dans quelle direction le champ électromagnétique de la lumière laser oscille et, en fonction de l’orientation des moments magnétiques (et donc des spins des électrons), le matériau reflétera une polarisation plus fortement que l’autre. A partir de cette différence, on peut alors calculer si les spins pointent dans la même direction ou dans des directions différentes, à partir desquelles la magnétisation peut être déterminée.

Des preuves frappantes

En augmentant régulièrement la tension, les physiciens ont rempli le matériau d’électrons et ont mesuré la magnétisation correspondante. Jusqu’à un remplissage d’exactement un électron par site du réseau moiré (également connu sous le nom d’isolant de Mott), le matériau restait paramagnétique. Alors que les chercheurs continuaient d’ajouter des électrons au réseau, quelque chose d’inattendu s’est produit : le matériau s’est soudainement comporté comme un ferromagnétique.

“C’était une preuve frappante d’un nouveau type de magnétisme qui ne peut être expliqué par l’interaction d’échange”, explique Imamoğlu. En fait, si l’interaction d’échange était responsable du magnétisme, cela aurait dû apparaître avec moins d’électrons dans le réseau. L’apparition soudaine indiquait donc un effet différent.

Magnétisme cinétique

Eugene Demler, en collaboration avec le post-doctorant Ivan Morera, a finalement eu l’idée cruciale : ils pourraient étudier un mécanisme que le physicien japonais Yosuke Nagaoka avait théoriquement prédit dès 1966. Dans ce mécanisme, en faisant pointer leurs spins dans le même direction, les électrons minimisent leur énergie cinétique (énergie de mouvement), qui est bien supérieure à l’énergie d’échange.

Dans l’expérience réalisée par les chercheurs de l’ETH, cela se produit dès qu’il y a plus d’un électron par site de réseau à l’intérieur du matériau moiré. En conséquence, des paires d’électrons peuvent s’associer pour former ce que l’on appelle des doublons. L’énergie cinétique est minimisée lorsque les doublons peuvent se propager sur l’ensemble du réseau grâce à un effet tunnel de la mécanique quantique.

Cependant, cela n’est possible que si les électrons uniques du réseau alignent leurs spins de manière ferromagnétique, sinon les effets de superposition de la mécanique quantique qui permettent la libre expansion des doublons sont perturbés.

“Jusqu’à présent, de tels mécanismes de magnétisme cinétique n’ont été détectés que dans des systèmes modèles, par exemple dans quatre points quantiques couplés”, explique Imamoğlu, “mais jamais dans des systèmes à l’état solide étendus comme celui que nous utilisons.”

Dans une prochaine étape, il souhaite modifier les paramètres du réseau de moiré afin de déterminer si le ferromagnétisme est préservé à des températures plus élevées ; Dans l’expérience actuelle, ce matériau devait encore être refroidi jusqu’à un dixième de degré au-dessus du zéro absolu.