Libérer le potentiel des matériaux magnétiques

Par Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter4 février 2023

Un matériau magnétique est exposé à deux faisceaux laser dont les champs électriques tournent en sens opposés. Le matériau rediffuse la lumière. S'il existe une différence entre l'intensité de la lumière diffusée par les deux faisceaux, le matériau est dans une phase topologique. Crédit : Jörg Harms, MPSD

Les phases topologiques ne se limitent pas aux systèmes électroniques et peuvent également exister dans les matériaux magnétiques caractérisés par des ondes magnétiques, appelés magnons. Alors que les scientifiques ont développé des méthodes pour produire et mesurer les courants de magnon, ils n'ont pas encore observé directement une phase topologique de magnon.

Un magnon se déplace à travers un matériau magnétique en perturbant son ordre magnétique, de la même manière qu'une onde sonore se déplace dans l'air. Cet ordre peut être imaginé comme un ensemble de toupies partageant un axe de rotation particulier. L'effet de la vague est de faire légèrement basculer les axes autour desquels tournent les toupies.

Une phase de magnon topologique est associée à des canaux qui peuvent transporter un courant de magnons le long des bords de l'échantillon. Les chercheurs espèrent que ces canaux périphériques pourront être utilisés pour transporter des informations dans les futurs dispositifs de spintronique, de manière analogue à la façon dont les courants électriques sont utilisés pour transmettre des signaux dans les dispositifs électroniques. Cependant, avant que de telles technologies puissent être réalisées, les scientifiques doivent trouver un moyen de valider si une phase magnétique est topologique ou non.

The transatlantic research team studied a class of magnetic materials structurally similar to grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> graphène et les a exposés à la lumière laser avec une polarisation à droite ou à gauche, où le champ électrique du laser tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour de l'axe du faisceau laser. Les chercheurs ont analysé la lumière diffusée par le matériau et ont montré que si l'intensité diffusée est différente pour les deux polarisations, le matériau est dans une phase topologique. A l'inverse, s'il n'y a pas de différence d'intensité lumineuse diffusée, alors le matériau n'est pas dans une phase topologique. Les propriétés de la lumière diffusée agissent ainsi comme des indicateurs clairs des phases topologiques dans ces matériaux magnétiques.

La technique est facile à déployer et peut également être étendue à d'autres quasi-particules, déclare l'auteur principal Emil Viñas Boström : « La diffusion Raman est une technique expérimentale standard disponible dans de nombreux laboratoires, ce qui est l'un des points forts de cette proposition. De plus, nos résultats sont assez généraux et s'appliquent également à d'autres types de systèmes constitués de phonons, d'excitons ou de photons.

À long terme, on espère que les magnons pourront être utilisés pour construire des dispositifs technologiques plus durables avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible : "L'utilisation de courants de magnon topologiques pourrait potentiellement réduire la consommation d'énergie des futurs dispositifs d'un facteur d'environ 1 000 par rapport aux appareils électroniques - bien qu'il y ait beaucoup de problèmes à résoudre jusqu'à ce que nous arrivions à ce point", déclare Viñas Boström.

Reference: "Direct Optical Probe of Magnon Topology in Two-Dimensional Quantum Magnets" by Emil Viñas Boström, Tahereh Sadat Parvini, James W. McIver, Angel Rubio, Silvia Viola Kusminskiy and Michael A. Sentef, 13 January 2023, Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Lettres d'examen physique.DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.026701