Un nouveau type de magnétisme

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Dans le matériau moiré des chercheurs, les spins des électrons sont désordonnés
Dans le matériau moiré des chercheurs, les spins des électrons sont désordonnés lorsqu’il n’y a qu’un seul électron sur un emplacement de grille (à gauche). Dès qu’il y a plus d’électrons que d’emplacements de grille (à droite) et que des doublons peuvent se former à partir de deux électrons chacun (en rouge), les spins s’alignent de manière ferromagnétique, car l’énergie cinétique du doublon est ainsi minimisée. (Illustration : ETH Zurich)
Des chercheurs ont mis en évidence une nouvelle espèce dans un matériau fabriqué artificiellement. Le matériau devient ferromagnétique parce que les électrons minimisent leur énergie cinétique.

par Oliver Morsch Pour qu’un aimant adhère à la porte du réfrigérateur, plusieurs effets physiques doivent parfaitement se combiner à l’intérieur. Les moments magnétiques de ses électrons pointent dans la même direction, même si aucun champ magnétique extérieur ne les y contraint. Cela se produit grâce à ce que l’on appelle l’interaction d’échange, c’est-à-dire une combinaison de répulsion électrostatique entre les électrons et d’effets de mécanique quantique des spins des électrons, qui sont à leur tour responsables des moments magnétiques. C’est ainsi que l’on explique généralement que certains matériaux comme le fer ou le nickel sont ferromagnétiques, c’est-à-dire qu’ils sont magnétiques en permanence tant qu’on ne les chauffe pas au-delà d’une certaine température.

A l’EPF de Zurich, des chercheurs autour d’Ataç Imamoglu de l’Institut d’électronique quantique et d’Eugene Demler de l’Institut de physique théorique ont mis en évidence un nouveau type de ferro dans un matériau produit artificiellement, dans lequel l’orientation des moments magnétiques se fait de manière totalement différente. Ils viennent de publier leurs résultats dans la revue spécialisée Nature.

Un matériau artificiel rempli d’électrons

Dans le laboratoire d’Imamoglu, le doctorant Livio Ciorciaro, le post-doctorant Tomasz Smolenski et leurs collègues ont fabriqué un matériau particulier en superposant des couches ultrafines de deux matériaux semi-conducteurs différents (du diséléniure de molybdène et du sulfure de tungstène). En raison des différentes constantes de réseau des deux matériaux, c’est-à-dire des distances entre leurs atomes, il en résulte dans le plan de contact un potentiel périodique bidimensionnel avec une grande constante de réseau (trente fois plus grande que 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 permettent d’étudier très facilement les effets quantiques des électrons à forte interaction dans les matériaux solides", explique Imamoglu. Mais jusqu’à présent, on savait peu de choses sur leurs propriétés magnétiques".

Pour étudier ces propriétés magnétiques, Imamoglu et ses collaborateurs ont mesuré si le matériau moiré était paramagnétique, c’est-à-dire si les moments magnétiques étaient désordonnés, ou ferromagnétique pour un remplissage électronique donné. Pour ce faire, ils ont éclairé le matériau avec une lumière laser et ont mesuré l’intensité de la réflexion de la lumière pour différentes polarisations. La polarisation indique la direction dans laquelle le champ électromagnétique de la lumière laser oscille et, selon l’orientation des moments magnétiques - et donc des spins des électrons - le matériau reflète une polarisation plus fortement que l’autre. Cette différence permet ensuite de calculer si les spins sont tous orientés dans la même direction ou dans des directions différentes, ce qui permet à son tour de déterminer l’aimantation.

Un indice frappant

En augmentant progressivement la tension, les physiciens ont rempli le matériau d’électrons et ont mesuré l’aimantation. Le matériau est resté paramagnétique jusqu’à ce qu’il soit rempli d’exactement un électron par emplacement de grille de Moiré (également appelé isolateur de Mott). Lorsque les chercheurs ont rempli la grille de plus d’électrons, un phénomène inattendu s’est produit : le matériau s’est soudainement comporté comme un ferromagnétique.


"C’était une indication frappante d’une nouvelle espèce , qui ne peut pas être expliquée par l’interaction d’échange", dit Imamoglu. En effet, si l’interaction d’échange était responsable du phénomène, celui-ci se produirait déjà avec moins d’électrons dans le réseau. L’apparition soudaine a donc permis de conclure à un autre effet.

cinétique

Eugene Demler, en collaboration avec le post-doctorant Ivan Morera, a finalement eu l’idée décisive : il pourrait s’agir d’un mécanisme que le physicien japonais Yosuke Nagaoka avait déjà prédit théoriquement en 1966. Dans ce cas, les électrons minimisent leur énergie cinétique (énergie de mouvement), qui est beaucoup plus grande que l’énergie d’échange, grâce à l’orientation parallèle des spins. Dans l’expérience des chercheurs, cela se produit dès qu’il y a plus d’un électron par emplacement de grille dans le matériau moiré. Deux électrons peuvent ainsi se rassembler pour former ce que l’on appelle des doublons. L’énergie cinétique est alors minimisée lorsque les doublons peuvent se propager dans l’ensemble du réseau grâce à un tunnel quantique. Mais cela n’est possible que si les électrons individuels du réseau orientent leurs spins de manière ferromagnétique, sinon les effets de superposition de la mécanique quantique, qui permettent la libre propagation des doublons, sont perturbés.

"Jusqu’à présent, de tels mécanismes n’ont été mis en évidence pour les cinétiques que dans des systèmes modèles composés, par exemple, de quatre points quantiques", explique Imamoglu, "mais jamais dans des systèmes solides étendus comme le nôtre".

Dans un avenir proche, il souhaite modifier les paramètres du réseau moiré afin d’étudier si le ferro se maintient à des températures plus élevées ; dans l’expérience actuelle, le matériau devait encore être refroidi à un dixième de degré au-dessus du zéro absolu.
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