Des chercheurs jettent une nouvelle lumière sur les magnons pour vérifier les phases topologiques des matériaux magnétiques

De nombreuses recherches récentes se sont concentrées sur les matériaux "topologiques", un type de solides fascinant qui échappe à la classification standard entre isolants et conducteurs. Alors que leur masse est isolante, ces phases sont caractérisées par des canaux électriquement conducteurs qui apparaissent sur leurs bords. Ces phases dites topologiques devraient jouer un rôle important dans le développement futur de dispositifs informatiques stables et de dispositifs de calcul quantique à grande échelle.

Les phases topologiques ne sont pas limitées aux systèmes électroniques. Elles peuvent également apparaître dans des matériaux magnétiques dont les propriétés sont décrites en termes d'ondes magnétiques - ou magnons. Cependant, même si les scientifiques ont mis au point des techniques permettant de générer et de lire des courants de magnons, ils n'ont jusqu'à présent pas été en mesure de déterminer directement la phase topologique d'un magnon. Des chercheurs allemands et américains proposent maintenant de vérifier directement la présence de telles phases en mesurant la lumière diffusée par un matériau magnétique. Leurs travaux ont été publiés dans Physical Review Letters (PRL).

Tout comme une onde sonore se déplace dans l'air, un magnon peut se déplacer dans un matériau magnétique en créant une perturbation dans son ordre magnétique. Cet ordre peut être imaginé comme une collection de toupies partageant un axe de rotation particulier. L'effet de l'onde est de faire légèrement basculer les axes autour desquels les toupies tournent.

Une phase de magnon topologique est associée à des canaux qui peuvent transporter un courant de magnons le long des bords de l'échantillon. Les chercheurs espèrent que ces canaux de bord pourront être utilisés pour transporter des informations dans les futurs dispositifs dits "spintroniques", de manière analogue à la façon dont les courants électriques sont utilisés pour transmettre des signaux dans les dispositifs électroniques. Cependant, avant que de telles technologies puissent être réalisées, les scientifiques ont besoin de nouvelles techniques pour valider si une phase magnétique est topologique ou non.

L'équipe de recherche transatlantique a étudié une classe de matériaux magnétiques structurellement similaires au graphène et leur interaction avec deux types de lumière laser polarisée, où le champ électrique du laser tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse autour de l'axe du faisceau. Les scientifiques ont analysé la lumière diffusée par le matériau et ont montré que, si l'intensité diffusée est différente pour les deux polarisations, le matériau est dans une phase topologique. À l'inverse, s'il n'y a pas de différence dans l'intensité de la lumière diffusée, le matériau n'est pas dans une phase topologique. Les propriétés de la lumière diffusée sont donc des indicateurs clairs des phases topologiques des matériaux magnétiques.

La technique est facile à mettre en œuvre et peut être étendue à d'autres quasi-particules, explique l'auteur principal, Emil Viñas Boström : "La diffusion Raman est une technique expérimentale standard disponible dans de nombreux laboratoires, ce qui constitue l'un des points forts de cette proposition. En outre, nos résultats sont assez généraux et s'appliquent aussi bien à d'autres types de systèmes constitués de phonons, d'excitons ou de photons."

À long terme, l'espoir est que les magnons puissent être utilisés pour construire des dispositifs technologiques plus durables et plus économes en énergie : "L'utilisation de courants topologiques de magnons pourrait potentiellement réduire la consommation d'énergie des futurs dispositifs par un facteur d'environ 1 000 par rapport aux dispositifs électroniques, bien qu'il y ait de nombreux problèmes à résoudre avant d'en arriver là", déclare Viñas Boström.