Dans les aimants classiques, de petits constituants magnétiques s’alignent les uns sur les autres pour créer un champ magnétique puissant. En revanche, le type d’aimant récemment découvert – l’aimant à base de singulet – possède des champs qui apparaissent et disparaissent, ce qui donne lieu à une force instable.
Dans un matériau magnétique normal, les moments magnétiques denses tentent de s’aligner avec leurs voisins (à gauche) ; en revanche, dans un matériau à base de singulet, les moments magnétiques instables apparaissent et disparaissent, et se collent les uns aux autres dans des amas alignés (à droite). Crédit image : Lin Miao, Université de New York.
L’idée des aimants à base de singulet remonte aux années 1960, sur la base d’une théorie qui contrastait fortement avec ce que l’on savait depuis longtemps des aimants conventionnels.
Un aimant typique contient une multitude de minuscules “moments magnétiques” qui sont verrouillés en alignement avec d’autres moments magnétiques, tous agissant à l’unisson pour créer un champ magnétique. L’exposition de cet assemblage à la chaleur élimine le magnétisme ; ces petits moments subsistent, mais ils sont orientés dans des directions aléatoires et ne sont plus alignés.
En revanche, il y a cinquante ans, une idée novatrice a avancé qu’un matériau dépourvu de moments magnétiques pourrait tout de même être capable d’être un aimant. Cela semble impossible, mais cela fonctionne grâce à un type de moment magnétique temporaire appelé “exciton de spin”, qui peut apparaître lorsque des électrons entrent en collision les uns avec les autres dans les bonnes conditions.
“Un exciton de spin unique a tendance à disparaître rapidement, mais lorsque vous en avez beaucoup, la théorie suggère qu’ils peuvent se stabiliser les uns les autres et catalyser l’apparition d’encore plus d’excitons de spin, dans une sorte de cascade”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Andrew Wray, chercheur à l’Université de New York.
Dans cette nouvelle étude, le Dr Wray et ses collègues ont cherché à découvrir ce phénomène.
Plusieurs candidats avaient été trouvés depuis les années 1970, mais tous étaient difficiles à étudier, le magnétisme n’étant stable qu’à des températures extrêmement basses.
En utilisant la diffusion des neutrons, la diffusion des rayons X et des simulations théoriques, les physiciens ont établi un lien entre les comportements d’un aimant beaucoup plus robuste, l’antimoniure d’uranium USb.2et les caractéristiques théoriques des aimants à base de singulet.
“Ce matériau a été une véritable énigme au cours des deux dernières décennies – les façons dont le magnétisme et l’électricité se parlent à l’intérieur étaient connues pour être bizarres et ne commencent à avoir un sens qu’avec cette nouvelle classification”, a déclaré le premier auteur, le Dr Lin Miao, chercheur postdoctoral à l’Université de New York.
Plus précisément, l’équipe a découvert que USb2 possède les ingrédients essentiels pour ce type de magnétisme – en particulier une propriété de mécanique quantique appelée “Hundness” qui régit la façon dont les électrons génèrent des moments magnétiques.
“De nos jours, de nombreuses recherches portent sur l’utilisation des aimants et du magnétisme pour améliorer les technologies de stockage des données”, a déclaré le Dr Wray.
“Les aimants à base de singlet devraient avoir une transition plus soudaine entre les phases magnétiques et non magnétiques. Vous n’avez pas besoin d’en faire autant pour que le matériau bascule entre les états non magnétiques et fortement magnétiques, ce qui pourrait être bénéfique pour la consommation d’énergie et la vitesse de commutation à l’intérieur d’un ordinateur.”
Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.
