Réseau antiferromagnétique avec sens de rotation
De minuscules structures magnétiques dans une couche de manganèse ultramince montrent un sens de rotation inhabituel - des chercheurs de Kiel et de Hambourg expliquent maintenant pourquoi
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Un aimant de réfrigérateur courant est ferromagnétique : les minuscules moments magnétiques des atomes pointent tous dans la même direction. C'est pourquoi les forces magnétiques de tels aimants peuvent être facilement utilisées, par exemple dans les boussoles, les capteurs ou les mémoires de données.
Mais il existe également des matériaux dans lesquels les moments magnétiques des atomes voisins sont orientés de manière opposée. On les appelle antiferromagnétiques. Ils ne forment pas de champ magnétique mesurable vers l'extérieur et ont longtemps été considérés comme difficilement utilisables. Le physicien français Louis Néel a reçu le prix Nobel de physique en 1970 pour cette découverte.
Aujourd'hui, cette classe de matériaux est considérée comme prometteuse. Les antiferromagnétiques pourraient jouer un rôle central dans la magnéto-électronique, un domaine de recherche qui utilise les courants électriques pour manipuler et lire les états magnétiques. Parallèlement, les réseaux magnétiques complexes offrent de toutes nouvelles possibilités pour des ordinateurs non conventionnels d'un genre nouveau. Ils réagissent particulièrement bien aux courants électriques et peuvent former des structures magnétiques tridimensionnelles dans lesquelles les moments atomiques sont orientés dans différentes directions de l'espace.
Des chercheurs de l'université Christian-Albrecht de Kiel (CAU) et de l'université de Hambourg viennent de montrer dans Nature Communications comment un réseau antiferromagnétique complexe se forme dans une couche de manganèse ultramince. Aux points d'intersection des parois du domaine, les moments magnétiques atomiques s'orientent dans un sens de rotation spatial défini. L'étude fournit ainsi un aperçu direct des structures internes des antiferromagnétiques et ouvre des perspectives pour de nouveaux composants magnétiques.
Les sphères bleu foncé (bleu clair) représentent les atomes de manganèse de la couche supérieure (inférieure) du film. Les flèches indiquent l'orientation des "barreaux magnétiques atomiques" des atomes de manganèse. Le plan des atomes de la couche supérieure et de la couche inférieure est représenté par des surfaces grises transparentes. L'orientation des "aimants en barre atomique" le long des axes d'un tétraèdre est montrée par les tétraèdres gris. L'aimantation topologique orbitale (TOM) dans les couches supérieure et inférieure est orientée parallèlement l'une à l'autre (voir petites flèches).
© Mara Gutzeit, Uni Kiel
Un regard sur le réseau de nano-aimants
L'équipe de recherche a étudié un système modèle, composé de seulement deux couches d'atomes de manganèse, déposées sur un cristal d'iridium. Grâce à la microscopie à effet tunnel à balayage polarisé par spin, ils ont pu rendre visible l'orientation magnétique des atomes jusqu'à l'échelle atomique.
La responsable du projet, le Dr Kirsten von Bergmann de l'université de Hambourg, explique : "Dans les images de microscopie à effet tunnel à balayage, un réseau magnétique complexe de parois de domaines est apparu entre des zones ordonnées de manière antiferromagnétique. Nous avons pu voir qu'il était généré par les bulles d'argon implantées. Aux points d'intersection de trois parois de domaine, nous avons d'une part trouvé une dépendance de la structure, et d'autre part, nous avons découvert que les "barreaux magnétiques atomiques" pointent ici dans les directions des coins d'un tétraèdre, ils ont donc un angle d'environ 109,47° les uns par rapport aux autres".
Grâce à des calculs complexes de mécanique quantique, pour lesquels des superordinateurs de l'Association pour le calcul national à haute performance (NHR) ont été utilisés, l'équipe de Kiel a montré que la couche supérieure des couches de manganèse se déplace légèrement latéralement en raison des forces d'échange magnétique. "Une tension s'accumule aux endroits où des zones d'orientation magnétique différente se rencontrent. Cela peut expliquer le sens de rotation préférentiel et structurel (handshake) observé aux points d'intersection", explique le professeur Stefan Heinze de la CAU. Les chercheurs de Kiel ont également élucidé comment une structure magnétique tridimensionnelle se forme à ces endroits et comment les deux couches de manganèse sont couplées entre elles.
Les ramifications des parois de domaine ne se forment pas par hasard au niveau des bulles d'argon. La tension locale dans le matériau favorise un certain type de mouvement de cisaillement d'origine magnétique du film. Les calculs montrent également que l'ordre magnétique tridimensionnel à ces points de croisement possède des propriétés particulières, dites topologiques. L'étude fournit ainsi une preuve fondamentale que le lien étroit entre la structure et le magnétisme peut être utilisé de manière ciblée pour créer des réseaux antiferromagnétiques complexes.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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