Des scientifiques découvrent un mouvement ultrarapide inhabituel dans des matériaux magnétiques en couches

Aug 16, 2023

2 août 2023

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par Joseph E. Harmon, Laboratoire national d'Argonne

Un trombone en métal ordinaire collera à un aimant. Les scientifiques classent ces matériaux contenant du fer comme des ferromagnétiques. Il y a un peu plus d'un siècle, les physiciens Albert Einstein et Wander de Haas ont signalé un effet surprenant avec un ferromagnétique. Si vous suspendez un cylindre de fer à un fil et l’exposez à un champ magnétique, il commencera à tourner si vous inversez simplement la direction du champ magnétique.

"L'expérience d'Einstein et de Haas ressemble presque à un spectacle de magie", a déclaré Haidan Wen, physicien dans les divisions de science des matériaux et de science des rayons X du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE). "On peut faire tourner un cylindre sans jamais le toucher."

Dans Nature, une équipe de chercheurs d'Argonne et d'autres laboratoires et universités nationaux américains rapportent désormais un effet analogue mais différent dans un "anti"-ferromagnétique. Cela pourrait avoir des applications importantes dans les dispositifs nécessitant un contrôle de mouvement ultra-précis et ultra-rapide. Un exemple est celui des nanomoteurs à grande vitesse pour les applications biomédicales, telles que leur utilisation dans les nanorobots pour le diagnostic et la chirurgie mini-invasive.

La différence entre un ferromagnétique et un antiferromagnétique concerne une propriété appelée spin électronique. Cette rotation a une direction. Les scientifiques représentent la direction avec une flèche qui peut pointer vers le haut ou vers le bas ou n’importe quelle direction intermédiaire. Dans le ferromagnétique magnétisé mentionné ci-dessus, les flèches associées à tous les électrons des atomes de fer peuvent pointer dans la même direction, par exemple vers le haut. L'inversion du champ magnétique inverse la direction des spins des électrons. Donc toutes les flèches pointent vers le bas. Cette inversion entraîne la rotation du cylindre.

"Dans cette expérience, une propriété microscopique, le spin électronique, est exploitée pour provoquer une réponse mécanique dans un cylindre, un objet macroscopique", a déclaré Alfred Zong, chercheur Miller à l'Université de Californie à Berkeley.

Dans les antiferromagnétiques, au lieu que les spins des électrons soient tous pointés vers le haut, par exemple, ils alternent de haut en bas entre les électrons adjacents. Ces spins opposés s’annulent et les antiferromagnétiques ne réagissent donc pas aux changements d’un champ magnétique comme le font les ferromagnétiques.

"La question que nous nous sommes posée est la suivante : le spin électronique peut-il provoquer une réponse dans un antiferromagnétique qui soit différente mais similaire dans son esprit à celle de la rotation du cylindre dans l'expérience d'Einstein-de Hass ?" » dit Wen.

Pour répondre à cette question, l’équipe a préparé un échantillon de trisulfure de fer et de phosphore (FePS3), un antiferromagnétique. L’échantillon était constitué de plusieurs couches de FePS3, chaque couche n’ayant que quelques atomes d’épaisseur.

"Contrairement à un aimant traditionnel, le FePS3 est spécial car il est formé dans une structure en couches, dans laquelle l'interaction entre les couches est extrêmement faible", a déclaré Xiaodong Xu, professeur de physique et de science des matériaux à l'Université de Washington.

"Nous avons conçu un ensemble d'expériences corroborantes dans lesquelles nous avons envoyé des impulsions laser ultrarapides sur ce matériau en couches et mesuré les changements résultants dans les propriétés du matériau avec des impulsions optiques, de rayons X et électroniques", a ajouté Wen.

L’équipe a découvert que les impulsions modifient la propriété magnétique du matériau en brouillant l’orientation ordonnée des spins électroniques. Les flèches du spin des électrons n’alternent plus entre le haut et le bas de manière ordonnée, mais sont désordonnées.