Une nouvelle forme de magnétisme mise en évidence dans un matériau ultrafin
Une forme de magnétisme récemment proposée, connue sous le nom d’altermagnétisme, pourrait permettre aux chercheurs de concevoir une mémoire informatique plus petite, plus rapide et plus efficace. Des scientifiques ont découvert que le dioxyde de ruthénium, un matériau quantique auparavant considéré comme non magnétique dans sa forme massive, pourrait présenter ce comportement magnétique inhabituel lorsqu’il est préparé sous forme de film ultrafin, ne mesurant que quelques couches atomiques d’épaisseur.
Les physiciens de l’Université Rice, dirigés par Ming Yi, en collaboration avec Bharat Jalan de l’Université du Minnesota et Milan Radovic de l’Institut Paul Scherrer, ont rapporté ces résultats dans la revue Science Advances. Ming Yi a déclaré : « Le dioxyde de ruthénium a été l’un des premiers matériaux proposés comme candidat altermagnétique, mais les études sur sa forme massive n’ont pas révélé de preuves de magnétisme. Notre recherche montre que sa forme ultrafine pourrait être la clé pour le rendre magnétique. »
Pour étudier l’état magnétique du dioxyde de ruthénium ultrafin, les chercheurs ont examiné sa texture de spin, qui décrit comment les moments magnétiques d’un matériau — les spins de ses électrons — sont arrangés dans l’espace. Ces motifs peuvent indiquer si un matériau est magnétique et quel type de magnétisme il présente. L’équipe a mesuré ces motifs à l’aide d’une technique appelée spectroscopie de photoémission angulaire résolue en spin.
Yichen Zhang, premier auteur de l’article et récent diplômé de Rice, a déclaré : « Après avoir analysé nos mes, nous avons constaté que, dans nos conditions expérimentales, le dioxyde de ruthénium présente des textures de spin compatibles avec un magnétisme non conventionnel. Cela suggère que le dioxyde de ruthénium massif et ultrafin, sous les bonnes conditions, pourrait avoir des propriétés magnétiques distinctement différentes. »
Les chercheurs ont également découvert que le comportement de spin inhabituel se manifestait dans des conditions spécifiques, notamment lorsque la structure électronique du dioxyde de ruthénium ultrafin subissait une contrainte de réseau, ce qui exerce une pression sur la structure atomique du matériau. En l’absence de cette contrainte, comme dans la forme massive naturelle du matériau, les spins électroniques ne montraient pas de signes d’altermagnétisme.
« La nature dépendante de la contrainte suggère que nous pourrions utiliser la contrainte de réseau comme un bouton de réglage pour induire ou contrôler l’altermagnétisme », a déclaré Zhang. Cela pourrait s’avérer extrêmement utile pour les architectures de spintronique et de RAM de nouvelle génération.
Ces résultats soulèvent la possibilité que les chercheurs puissent ajuster délibérément la contrainte de réseau pour contrôler le comportement magnétique dans de futurs matériaux électroniques. Un tel contrôle pourrait être précieux pour la spintronique, un domaine qui utilise le spin des électrons ainsi que leur charge électrique pour traiter et stocker des informations.
Les découvertes soulignent également la complexité d’identifier et de décrire le comportement des matériaux quantiques. Le dioxyde de ruthénium a été au centre d’un long débat scientifique, les physiciens essayant de déterminer si sa forme massive était magnétique. Les chercheurs ont finalement convenu que le dioxyde de ruthénium massif ne présente pas de magnétisme.
Ce travail met en lumière comment le changement des dimensions du matériau et l’application d’une contrainte sur sa structure atomique peuvent produire des comportements très différents. Yi a ajouté : « Ce travail montre à quel point ces questions peuvent être complexes. La préparation de matériaux de haute qualité et le protocole de me minutieux ont été essentiels pour observer les propriétés de spin électroniques correctes. »
Cette recherche a été financée par le Département de l’Énergie des États-Unis, l’initiative EPiQS de la Fondation Gordon et Betty Moore, ainsi que la Fondation Robert A. Welch.
Source : Science Advances
