Une nouvelle frontière en spintronics: quascristaux antiferromagnétiques dévoilés

Les quasi-cristaux (QC) sont des matériaux solides fascinants qui présentent un arrangement atomique intrigant. Contrairement aux cristaux réguliers, dans lesquels les arrangements atomiques ont un motif de répétition ordonné, les QC affichent l’ordre atomique à longue portée qui n’est pas périodique. En raison de cette nature «quasipériodique», les QC ont des symétries non conventionnelles qui sont absentes dans les cristaux conventionnels.

Depuis leur découverte lauréate du prix Nobel, les chercheurs en physique de la matière condensés ont consacré une immense attention aux QC, tentant de réaliser à la fois leur ordre magnétique quasipériodique unique et leurs applications possibles en spintronique et réfrigération magnétique.

Le ferromagnétisme a récemment été découvert dans les QC icosaédriques icosaédriques (IQC). Pourtant, les scientifiques n’ont pas été surpris par cette observation parce que la périodicité translationnelle – la disposition répétitive des atomes dans un cristal – n’est pas une condition préalable à l’émergence de l’ordre ferromagnétique.

En revanche, l’autre type fondamental d’ordre magnétique trouvé dans la nature, l’antitiferromagnétisme, est intrinsèquement plus sensible à la symétrie cristalline.

Bien que les théoriciens s’attendaient depuis longtemps à établir la création de l’antiferromagnétisme dans certains QC, il n’a pas encore été directement observé. Expérimentalement, la plupart des IQC magnétiques présentent un comportement de congélation de type spin-verre, sans aucun signe d’ordre magnétique à long terme, ce qui a conduit les chercheurs à se demander si l’antitiferromagnétisme est même compatible avec la quasipériodicité – jusqu’à maintenant.

Dans une étude révolutionnaire, une équipe de recherche a finalement découvert l’antitiferromagnétisme dans un vrai QC. L’équipe était dirigée par Ryuji Tamura du Département des sciences et de la technologie des matériaux de l’Université des Sciences de Tokyo (TUS), ainsi que Takaki Abe, également de Tus, Taku J. Sato de l’Université Tohoku, et Max Avdeev de l’Organisation australienne des sciences et technologies nucléaires et de l’Université de Sydney.

Leur étude est publiée dans la revue Physique de la nature.

“Comme ce fut le cas pour le premier rapport de l’antiferromagnétisme dans un cristal périodique en 1949, nous présentons les premières preuves expérimentales de l’antitiferromagnétisme se produisant dans un IQC”, explique Tamura.

S’appuyant sur leur récente découverte du ferromagnétisme dans les IQC AU-GA-R, les chercheurs ont identifié un nouveau IQC de type or-indium-europium (AU-in-UE), présentant des symétries rotationnelles cinq fois, trois et deux fois. L’équipe a effectué une série de mesures de propriété en vrac et d’expériences de neutrons pour examiner sa nature magnétique.

Les mesures de sensibilité magnétique ont montré une cuspide pointue à une température de 6,5 Kelvin (K) pour les conditions refroidies et refroidies par le champ zéro, conformément à une transition antiferromagnétique. Des mesures de chaleur spécifiques ont également montré un pic à la même température, vérifiant que le CUSP est dû à un ordre magnétique à longue portée.

To further validate their results, the team performed neutron diffraction measurements of the iQC at temperatures of 10 K and 3 K. They observed additional magnetic Bragg peaks—sharp intensity peaks in the diffraction pattern indicating an ordered magnetic structure—at 3 K, which consistently showed an abrupt increase around the transition temperature of 6.5 K in temperature-dependent measurements, providing the first clear evidence of long-range antiferromagnetic order in un vrai QC.

Quant à la raison pour laquelle l’IQC Au-in-UE héberge une phase antiferromagnétique, les chercheurs ont constaté que, contrairement aux IQC précédemment étudiés, qui présentent généralement une température négative de curie-weiss, ce nouveau IQC a une température de curie positive.

Fait intéressant, ils ont également découvert qu’avec une légère augmentation du rapport électronique par atome par la substitution élémentaire, la phase antiferromagnétique disparaît et l’IQC montre un comportement de verre à spin, un peu comme les IQC précédents.

Cela suggère que les IQC avec une température positive de curie-weiss favorisent l’établissement de l’ordre antiferromagnétique, ouvrant de nouvelles avenues pour de futures études pour développer de nouveaux QC antiferromagnétiques en contrôlant le rapport électronique par atome.

“Cette découverte résout enfin la question de longue date de savoir si l’ordre antiferromagnétique est possible dans les QC réels”, ajoute Tamura. “Les QC antiferromagnétiques pourraient permettre des fonctions sans précédent, telles que des réponses magnétiques ultrasoft, et provoqueront une révolution de la spintronique et de la réfrigération magnétique à l’avenir.”

La découverte des chercheurs s’aligne sur les objectifs de développement durable des Nations Unies (ODD) – énergie affordable et propre (ODD 7), l’industrie, l’innovation et les infrastructures (ODD 9) – par électronique économe en énergie.

Résolvant un mystère de plusieurs décennies, cette découverte revigore non seulement la recherche de QC antiferromagnétiques inexplorés, mais ouvre également un nouveau domaine de recherche d’antiferromagnets quasipérioddiques, avec des implications s’étendant bien au-delà des spintroniques.