Inspirés par Einstein et De Haas : des scientifiques découvrent un mouvement ultrarapide inhabituel dans des matériaux magnétiques en couches

Jun 14, 2023

Par Laboratoire national d'Argonne7 août 2023

Tapis atomique déplacé par des rotations brouillées. Le cisaillement des couches atomiques dans les couches de trisulfure de fer et de phosphore est provoqué par le brouillage du spin des électrons lors de l'exposition à une impulsion lumineuse. Tours commandés à gauche ; tours brouillés à droite. Crédit : Image du Laboratoire national d'Argonne

Des techniques d’imagerie ultrarapides de pointe ont révélé un mouvement mécanique ultrarapide lié à un changement d’état magnétique dans un matériau en couches. Cet effet magnétique intrigant pourrait avoir des applications dans les nanodispositifs nécessitant un contrôle de mouvement ultra-précis et rapide.

Un trombone en métal ordinaire collera à un aimant. Les scientifiques classent ces matériaux contenant du fer comme des ferromagnétiques. Il y a un peu plus d'un siècle, les physiciens Albert Einstein et Wander de Haas ont signalé un effet surprenant avec un ferromagnétique. Ils ont découvert que lorsque l’on suspend un cylindre de fer à un fil et que l’on l’expose à un champ magnétique, il commence à tourner si la direction du champ magnétique est inversée.

"L'expérience d'Einstein et de Haas ressemble presque à un spectacle de magie", a déclaré Haidan Wen, physicien dans les divisions de science des matériaux et de science des rayons X du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE). "Vous pouvez faire tourner un cylindre sans jamais le toucher."

"Dans cette expérience, une propriété microscopique, le spin électronique, est exploitée pour provoquer une réponse mécanique dans un cylindre, un objet macroscopique."

— Alfred Zong, Miller Research Fellow at the University of California, BerkeleyLocated in Berkeley, California and founded in 1868, University of California, Berkeley is a public research university that also goes by UC Berkeley, Berkeley, California, or Cal. It maintains close relationships with three DOE National Laboratories: Lawrence Berkeley National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, and Lawrence Livermore National Laboratory." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Université de Californie, Berkeley

Dans la revue scientifique Nature, une équipe de chercheurs d'Argonne et d'autres laboratoires et universités nationaux américains rapportent désormais un effet analogue mais différent dans un "anti"-ferromagnétique. Cela pourrait avoir des applications importantes dans les dispositifs nécessitant un contrôle de mouvement ultra-précis et ultra-rapide. Un exemple est celui des nanomoteurs à grande vitesse pour les applications biomédicales, telles que leur utilisation dans les nanorobots pour le diagnostic et la chirurgie mini-invasive.

La différence entre un ferromagnétique et un antiferromagnétique concerne une propriété appelée spin électronique. Cette rotation a une direction. Les scientifiques représentent la direction avec une flèche qui peut pointer vers le haut ou vers le bas ou n’importe quelle direction intermédiaire. Dans le ferromagnétique magnétisé mentionné ci-dessus, les flèches associées à tous les électrons des atomes de fer peuvent pointer dans la même direction, par exemple vers le haut. L'inversion du champ magnétique inverse la direction des spins des électrons. Donc toutes les flèches pointent vers le bas. Cette inversion entraîne la rotation du cylindre.

"Dans cette expérience, une propriété microscopique, le spin électronique, est exploitée pour provoquer une réponse mécanique dans un cylindre, un objet macroscopique", a déclaré Alfred Zong, chercheur Miller à l'Université de Californie à Berkeley.

Dans les antiferromagnétiques, au lieu que les spins des électrons soient tous pointés vers le haut, par exemple, ils alternent de haut en bas entre les électrons adjacents. Ces spins opposés s’annulent et les antiferromagnétiques ne réagissent donc pas aux changements d’un champ magnétique comme le font les ferromagnétiques.

"La question que nous nous sommes posée est la suivante : le spin électronique peut-il provoquer une réponse dans un antiferromagnétique qui soit différente mais similaire dans son esprit à celle de la rotation du cylindre dans l'expérience d'Einstein-de Hass ?" » dit Wen.

Pour répondre à cette question, l’équipe a préparé un échantillon de trisulfure de fer et de phosphore (FePS3), un antiferromagnétique. L’échantillon était constitué de plusieurs couches de FePS3, chaque couche n’ayant que quelques atomes d’épaisseur.

“Unlike a traditional magnet, FePS3 is special because it is formed in a layered structure, in which the interaction between the layers is extremely weak,” said Xiaodong Xu, professor of physics and materials science at the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"University of Washington./p>

“This scrambling in electron spin leads to a mechanical response across the entire sample. Because the interaction between layers is weak, one layer of the sample is able to slide back and forth with respect to an adjacent layer,” explained Nuh Gedik, professor of physics at the Massachusetts Institute of Technology (MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"MIT)./p>

“The pivotal discovery in our current research was finding a link between electron spin and atomic motion that is special to the layered structure of this antiferromagnet,” Zong said. ​“And because this link manifests at such short time and tiny length scales, we envision that the ability to control this motion by changing the magnetic field or, alternatively, by applying a tiny strain will have important implications for nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"nanoscale devices.”/p>