Ce n’est pas l’aimant de réfrigérateur de ta grand-mère.
Une forme exotique de magnétisme a été découverte et liée à un type d’électrons tout aussi exotique, selon des scientifiques qui ont analysé un nouveau cristal dans lequel ils apparaissent au National Institute of Standards and Technology (NIST). Le magnétisme est créé et protégé par la structure électronique unique du cristal, offrant un mécanisme qui pourrait être exploité pour des dispositifs de stockage d’informations rapides et robustes.
Le matériau nouvellement inventé a une structure inhabituelle qui conduit l’électricité mais fait que les électrons qui circulent se comportent comme des particules sans masse, dont le magnétisme est lié à la direction de leur mouvement. Dans d’autres matériaux, tels les électrons de Weyl
ont suscité de nouveaux comportements liés à la conductivité électrique. Dans ce cas, cependant, les électrons favorisent la formation spontanée d’une spirale magnétique.
“Nos recherches montrent un exemple rare de ces particules entraînant le magnétisme collectif”, a déclaré Collin Broholm, physicien à l’Université Johns Hopkins qui a dirigé les travaux expérimentaux au NIST Center for Neutron Research (NCNR). “Notre expérience illustre une forme unique de magnétisme qui peut provenir des électrons de Weyl.”
Les conclusions, qui apparaissent dans Matériaux naturels, révèlent une relation complexe entre le matériau, les électrons qui le traversent sous forme de courant et le magnétisme que présente le matériau.
Ce cristal « semi-métal » se compose de cellules unitaires répétitives telles que celle de gauche, qui a un sommet carré et des côtés rectangulaires. Les sphères représentent des atomes de silicium (violet), d’aluminium (turquoise) et, dans l’or, de néodyme (Nd), dont les derniers sont magnétiques. La compréhension des propriétés magnétiques spéciales du matériau nécessite neuf de ces cellules unitaires, représentées par le plus grand bloc à droite (qui a une seule cellule unitaire encadrée en rouge). Ce bloc 3 × 3 montre des électrons verts « Weyl » se déplaçant en diagonale sur le dessus des cellules et affectant l’orientation du spin magnétique des atomes de Nd. Une propriété spéciale de l’électron de Weyl est le verrouillage de sa direction de spin, qui est soit parallèle soit antiparallèle à la direction de son mouvement, comme représenté par les petites flèches dans les électrons de Weyl. Au fur et à mesure que ces électrons se déplacent le long des quatre atomes d’or Nd, les spins Nd se réorientent en une “spirale de spin” qui peut être imaginée comme pointant successivement dans la direction de 12 heures (la plus proche du spectateur avec la flèche rouge pointant vers le haut), 4 heures horloge (flèche bleue), 8 heures (également en bleu) et encore 12 heures (le plus éloigné du spectateur et à nouveau en rouge). Des lignes d’atomes de Nd s’étendent à travers de nombreuses couches du cristal, offrant de nombreux exemples de ce motif magnétique inhabituel. Crédit : N. Hanacek/NIST
Dans un aimant de réfrigérateur, nous imaginons parfois chacun de ses atomes de fer comme étant percé d’un barreau aimanté avec son pôle « nord » pointant dans une certaine direction. Cette image fait référence aux orientations de spin des atomes, qui s’alignent en parallèle. Le matériau étudié par l’équipe est différent. C’est un « semi-métal » composé de silicium et des métaux aluminium et néodyme. Ensemble, ces trois éléments forment un cristal, ce qui implique que ses atomes qui le composent sont disposés selon un motif répétitif régulier. Cependant, c’est un cristal qui brise la symétrie d’inversion, ce qui signifie que le motif répétitif est différent d’un côté des cellules unitaires d’un cristal – le plus petit élément constitutif d’un réseau cristallin – de l’autre. Cet arrangement stabilise les électrons circulant à travers le cristal, qui à leur tour entraînent un comportement inhabituel dans son magnétisme.
La stabilité des électrons se manifeste par une uniformité dans la direction de leurs spins. Dans la plupart des matériaux conducteurs d’électricité, tels que le fil de cuivre, les électrons qui traversent le fil ont des spins qui pointent dans des directions aléatoires. Ce n’est pas le cas dans le semi-métal, dont la symétrie brisée transforme les électrons qui s’écoulent en électrons de Weyl dont les spins sont orientés soit dans le sens de déplacement de l’électron, soit dans le sens exactement opposé. C’est ce verrouillage des spins des électrons de Weyl dans leur direction de mouvement – leur élan – qui provoque le comportement magnétique rare du semi-métal.
“Notre expérience illustre une forme unique de magnétisme qui peut provenir des électrons de Weyl.” – Collin Broholm, physicien à l’université Johns Hopkins
Les trois types d’atomes du matériau conduisent tous l’électricité, fournissant des tremplins pour les électrons lorsqu’ils sautent de atome à l’atome. Cependant, seuls les atomes de néodyme (Nd) présentent du magnétisme. Ils sont sensibles à l’influence des électrons de Weyl, qui poussent de façon curieuse les spins de l’atome de Nd. Regardez le long de n’importe quelle rangée d’atomes de Nd qui s’étend en diagonale à travers le semi-métal, et vous verrez ce que l’équipe de recherche appelle une “spirale de rotation”.
“Une façon simplifiée de l’imaginer est que le premier atome Nd pointe à 12 heures, puis le suivant à 4 heures, puis le troisième à 8 heures”, a déclaré Broholm. « Ensuite, le motif se répète. Cette belle « texture » de spin est entraînée par les électrons de Weyl lorsqu’ils visitent les atomes de Nd voisins. »
Il a fallu une collaboration entre de nombreux groupes au sein de l’Institute for Quantum Matter de l’Université Johns Hopkins pour révéler le magnétisme spécial apparaissant dans le cristal. Il comprenait des groupes travaillant sur la synthèse des cristaux, des calculs numériques sophistiqués et des expériences de diffusion de neutrons.
« Pour la diffusion des neutrons, nous avons grandement bénéficié de la grande quantité de temps de faisceau de diffraction des neutrons dont nous disposions au NIST Center for Neutron Research », a déclaré Jonathan Gaudet, l’un des co-auteurs de l’article. “Sans le temps de faisceau, nous aurions raté ces belles nouvelles physiques.”
Chaque boucle de la spirale de rotation mesure environ 150 nanomètres de long, et les spirales n’apparaissent qu’à des températures froides inférieures à 7 K. Broholm a déclaré qu’il existe des matériaux ayant des propriétés physiques similaires qui fonctionnent à température ambiante, et qu’ils pourraient être exploités pour créer des propriétés magnétiques efficaces. dispositifs de mémoire.
“La technologie de mémoire magnétique comme les disques durs nécessite généralement que vous créiez un champ magnétique pour qu’ils fonctionnent”, a-t-il déclaré. « Avec cette classe de matériaux, vous pouvez stocker des informations sans avoir besoin d’appliquer ou de détecter un champ magnétique. La lecture et l’écriture électrique des informations sont plus rapides et plus robustes.
Comprendre les effets que les électrons de Weyl entraînent pourrait également faire la lumière sur d’autres matériaux qui ont semé la consternation des physiciens.
“Fondamentalement, nous pourrions être en mesure de créer une variété de matériaux qui ont différentes caractéristiques de rotation interne – et peut-être que nous l’avons déjà”, a déclaré Broholm. « En tant que communauté, nous avons créé de nombreuses structures magnétiques que nous ne comprenons pas immédiatement. Après avoir vu le caractère spécial du magnétisme médié par Weyl, nous pourrons peut-être enfin comprendre et utiliser de telles structures magnétiques exotiques. »
Référence : « Weyl-mediated helic magnetism in NdAlSi » par Jonathan Gaudet, Hung-Yu Yang, Santu Baidya, Baozhu Lu, Guangyong Xu, Yang Zhao, Jose A. Rodriguez-Rivera, Christina M. Hoffmann, David E. Graf, Darius H. Torchinsky, Predrag Nikolić, David Vanderbilt, Fazel Tafti et Collin L. Broholm, 19 août 2021, Matériaux naturels.
DOI : 10.1038/s41563-021-01062-8
Les données de l’étude ont été obtenues en partie avec le spectromètre à cristal multi-axes (MACS), qui fait partie du Center for High Resolution Neutron Scattering (CHRNS), une installation nationale d’utilisateurs financée conjointement par le NCNR et la National Science Foundation (NSF ).
