- Le physicien tchèque Libor Šmejkal a théoriquement prédit une nouvelle forme de magnétisme (altermagnetism) en s’inspirant d’une œuvre d’art
- Jusqu’ici, on ne connaissait que deux types de magnétisme, le ferromagnétisme et l’antiferromagnétisme, mais une troisième forme, les altermagnets, a été confirmée expérimentalement
- Les altermagnets ont un champ magnétique total nul, mais peuvent induire une séparation des spins électroniques (spin-splitting), ce qui pourrait dépasser les limites des technologies de spintronique
- Des phénomènes altermagnétiques ont effectivement été démontrés expérimentalement dans le tellurure de manganèse (MnTe), le dioxyde de ruthénium et d’autres matériaux, et plus de 200 matériaux candidats ont été proposés en théorie
- L’équipe de recherche a en outre théoriquement prédit une quatrième forme de magnétisme, l’antialtermagnétisme, élargissant encore le monde du magnétisme
Histoire et développement du magnétisme
- Le magnétisme est connu depuis la Grèce antique et sert aujourd’hui dans des technologies essentielles comme les générateurs, les smartphones et les scanners hospitaliers
- La conception classique du magnétisme reposait sur deux catégories : le ferromagnétisme (structure où tous les spins pointent dans la même direction et créent une force magnétique) et l’antiferromagnétisme (structure où les directions de spin se compensent et ne produisent pas de magnétisme apparent)
- En 2022, Šmejkal a théorisé l’état « altermagnétique » à partir de phénomènes que ce modèle n’expliquait pas
L’idée de Šmejkal et la symétrie d’Escher
- Il a réinterprété la symétrie magnétique en s’inspirant du motif symétrique répétitif visible dans l’œuvre Horseman de M.C. Escher
- Comme dans les antiferromagnétiques classiques, les spins alternent de direction, mais des moments magnétiques orientés à 90 degrés apparaissent, ce qui provoque au final un phénomène de séparation des spins
- Cela permet de séparer les spins électroniques dans les deux sens même dans des structures où cela était traditionnellement impossible
Validation expérimentale des altermagnets
- En 2024, l’équipe de Juraj Krempaský à l’institut suisse PSI a observé un phénomène altermagnétique dans le tellurure de manganèse (MnTe)
- Le suivi du mouvement des électrons a montré une forte concordance avec la théorie de Šmejkal
- Ensuite, la possibilité d’altermagnétisme a aussi été confirmée dans le dioxyde de ruthénium et d’autres matériaux
La spintronique et le potentiel des altermagnets
- La spintronique (spintronics) est une technologie de nouvelle génération qui exploite le spin des électrons pour stocker et traiter l’information
- Jusqu’ici, seuls les ferromagnétiques pouvaient fournir une séparation des spins, ce qui imposait des limites à la miniaturisation et à l’intégration
- Les altermagnets possèdent des caractéristiques idéales : magnétisme nul mais séparation des spins possible, absence d’interférences, faible consommation d’énergie et potentiel de miniaturisation
Développement de nouveaux matériaux et potentiel de commercialisation
- On peut induire un état altermagnétique dans des antiferromagnétiques existants en appliquant une compression mécanique (compressive strain) ou en perturbant la symétrie par un empilement hétérogène (sandwich structure)
- Exemples : le rhenium dioxide sous compression, ou des antiferromagnétiques stratifiés réalisés en structure multicouche
- Toutefois, ces méthodes artificielles pourraient manquer d’intérêt pratique, et la recherche de matériaux naturellement altermagnétiques paraît plus prometteuse
- L’équipe de Šmejkal a théoriquement identifié plus de 200 matériaux candidats
Les prochaines étapes vers la commercialisation
- L’équipe de recherche d’Oliver Amin a montré qu’il était possible de contrôler la structure magnétique de MnTe par chauffage et refroidissement
- Cela est considéré comme une première étape vers la mise au point de matériaux utilisables en pratique pour la spintronique
- MnTe est un matériau étudié depuis déjà plus de 20 ans, ce qui le rend favorable à la synthèse de haute pureté et aux expériences
Quatrième forme de magnétisme : l’antialtermagnétisme (Antialtermagnetism)
- Šmejkal a théorisé, au-delà des altermagnets, des antialtermagnets dotés d’une structure de symétrie de spin en zigzag
- Les spins électroniques y sont disposés symétriquement, sans magnétisme total, mais avec une modification des trajectoires de déplacement des électrons qui induit une séparation des spins
- L’article est encore au stade pré-évaluation par les pairs, mais il suggère la possibilité de nouveaux phénomènes magnétiques
Conclusion
- La découverte des altermagnets constitue un tournant majeur, capable d’élargir la notion de magnétisme et d’accélérer la mise en pratique de la spintronique
- Elle pourrait déboucher, dans les dix prochaines années, sur de nouveaux matériaux commercialisables, et les recherches avancent activement
- Parti de la symétrie chez Escher, ce travail est remarqué comme un exemple emblématique de rencontre entre l’art, les mathématiques et la physique
1 commentaires
Avis Hacker News
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Si j’ai bien compris, le véritable avantage de cette technologie, ce sont les dispositifs de stockage magnétiques à semi-conducteurs
Les dispositifs de stockage magnétiques existants génèrent un champ magnétique, mais ce nouveau matériau altermagnétique réagit à un champ magnétique externe sans en générer lui-même
On peut donc placer les dispositifs très densément, sans avoir à se soucier des interférences
La structure consiste à lire les bits 0 et 1 avec de faibles impulsions électriques, puis à inverser les bits avec des impulsions plus fortes
Comme on inverse les atomes eux-mêmes, sans détruire la structure ni injecter de charge, on suppose que la durée de vie sera longue et que les cycles de lecture/écriture seront presque infinis
Cela semble aussi compatible avec les procédés de fabrication classiques du silicium
Cela dit, le point technique clé sera de savoir à quel point on pourra rapprocher les structures de lecture les unes des autres
L’explication selon laquelle on détecte l’état d’un bit avec une faible impulsion électrique et on l’inverse avec une impulsion forte résume vraiment parfaitement l’essentiel
C’est impressionnant de voir une telle intuition, à la manière de Feynman, formulée en une seule phrase
S’il existait un tel dispositif de stockage, je pense qu’il améliorerait fortement non seulement la mémoire à semi-conducteurs, mais aussi la résolution et l’immunité au bruit dans l’ensemble des capteurs industriels basés sur l’effet Hall
En réalité, on peut vérifier dans cet article que les matériaux magnétiques « ordinaires » existants peuvent eux aussi inverser la direction du champ magnétique
La section "Confirming that altermagnets exist" de l’article explique bien les usages concrets
Traditionnellement, le stockage d’informations haute densité fondé sur le spin n’utilisait que des matériaux dont les spins s’alignent naturellement (généralement des ferromagnétiques)
Le problème, c’est que les ferromagnétiques s’accompagnent d’énormes champs magnétiques, ce qui constitue un obstacle majeur à leur utilisation réelle
Les nouveaux altermagnets ont des spins bien ordonnés, tout en restant au niveau de chaque atome