Un nouveau type de magnétisme

Pour qu'un aimant adhère à la porte d'un réfrigérateur, plusieurs effets physiques doivent parfaitement se combiner à l'intérieur de celui-ci. Les moments magnétiques de ses électrons pointent dans la même direction, même si aucun champ magnétique extérieur ne les y contraint. Cela se produit gr?ce à ce que l'on appelle l'interaction d'échange, c'est-à-dire une combinaison de répulsion électrostatique entre les électrons et d'effets de mécanique quantique des spins des électrons, qui sont à leur tour responsables des moments magnétiques. C'est ainsi que l'on explique couramment que certains matériaux comme le fer ou le nickel sont ferromagnétiques, c'est-à-dire qu'ils sont magnétiques en permanence tant qu'on ne les chauffe pas au-delà d'une certaine température.

A l'ETH Zurich, des chercheurs dirigés par Ata? Imamo?lu, de l'Institut d'électronique quantique, et Eugene Demler, de l'Institut de physique théorique, viennent de mettre en évidence dans un matériau produit artificiellement un nouveau type de ferromagnétisme, dans lequel l'orientation des moments magnétiques se fait de manière très différente. Ils viennent de publier leurs résultats dans la revue spécialisée Nature.

Un matériau artificiel rempli d'électrons

Dans le laboratoire d'Imamo?lu, le doctorant Livio Ciorciaro, le post-doctorant Tomasz Smolenski et leurs collègues ont fabriqué un matériau particulier en superposant des couches ultrafines de deux matériaux semi-conducteurs différents (du diséléniure de molybdène et du sulfure de tungstène). En raison des différentes constantes de réseau des deux matériaux, c'est-à-dire des distances entre leurs atomes, il en résulte dans le plan de contact un potentiel périodique bidimensionnel avec une grande constante de réseau (trente fois plus grande que celle des deux semi-conducteurs), qui peut être rempli d'électrons par l'application d'une tension électrique. "De tels matériaux moirés ont suscité un grand intérêt ces dernières années, car ils permettent d'étudier très facilement les effets quantiques des électrons en forte interaction dans les matériaux solides", explique Imamo?lu. "Mais jusqu'à présent, on savait peu de choses sur leurs propriétés magnétiques".

Pour étudier ces propriétés magnétiques, Imamo?lu et ses collaborateurs ont mesuré si le matériau moiré était paramagnétique, c'est-à-dire que les moments magnétiques étaient désordonnés, ou ferromagnétique pour un remplissage d'électrons donné. Pour ce faire, ils ont éclairé le matériau avec une lumière laser et ont mesuré l'intensité de la réflexion de la lumière pour différentes polarisations. La polarisation indique la direction dans laquelle le champ électromagnétique de la lumière laser oscille et, selon l'orientation des moments magnétiques - et donc des spins des électrons - le matériau reflète une polarisation plus fortement que l'autre. Cette différence permet ensuite de calculer si les spins sont tous orientés dans la même direction ou dans des directions différentes, ce qui permet à son tour de déterminer l'aimantation.

Note percutante

En augmentant progressivement la tension, les physiciens ont rempli le matériau d'électrons et ont mesuré la magnétisation. Le matériau est resté paramagnétique jusqu'à un remplissage d'exactement un électron par emplacement de grille moiré (également appelé isolateur de Mott). Lorsque les chercheurs ont rempli la grille de plus d'électrons, un phénomène inattendu s'est produit : le matériau s'est soudainement comporté comme un ferromagnétique.

"C'était une indication frappante d'un nouveau type de magnétisme qui ne peut pas être expliqué par l'interaction d'échange", explique Imamo?lu. En effet, si l'interaction d'échange était responsable du magnétisme, celui-ci se produirait déjà avec moins d'électrons dans la grille. L'apparition soudaine a donc permis de conclure à un autre effet.

Magnétisme cinétique

Eugene Demler, en collaboration avec le post-doctorant Ivan Morera, a finalement eu l'idée décisive : il pourrait s'agir d'un mécanisme que le physicien japonais Yosuke Nagaoka avait déjà prédit théoriquement en 1966. Dans ce cas, les électrons minimisent leur énergie cinétique (énergie de mouvement), qui est bien plus grande que l'énergie d'échange, gr?ce à l'orientation parallèle des spins. Dans l'expérience des chercheurs de l'ETH, cela se produit dès qu'il y a plus d'un électron par emplacement de grille dans le matériau moiré. Deux électrons peuvent ainsi se réunir pour former ce que l'on appelle des doublons. L'énergie cinétique est alors minimisée lorsque les doublons peuvent se propager dans l'ensemble du réseau par un effet tunnel de la mécanique quantique. Mais cela n'est possible que si les électrons individuels du réseau orientent leurs spins de manière ferromagnétique, sinon les effets de superposition de la mécanique quantique qui permettent la libre propagation des doublons sont perturbés.

"Jusqu'à présent, de tels mécanismes de magnétisme cinétique n'ont été mis en évidence que dans des systèmes modèles constitués par exemple de quatre points quantiques", explique Imamo?lu, "mais jamais dans des systèmes solides étendus comme le n?tre".

Dans un avenir proche, il souhaite modifier les paramètres du réseau moiré afin d'étudier si le ferromagnétisme est conservé à des températures plus élevées ; dans l'expérience actuelle, le matériau devait encore être refroidi à un dixième de degré au-dessus du zéro absolu.