Symmetry-selective nonrelativistic spin splitting in antiferromagnets driven by coherent phonons

Dans le monde de l'électronique moderne, le contrôle du flux d'informations repose souvent sur le magnétisme. Les dispositifs traditionnels utilisent des matériaux comme le fer, où de minuscules aimants atomiques pointent tous dans la même direction, créant un champ magnétique net qui peut être facilement manipulé. Cependant, ce champ magnétique est aussi un handicap ; il crée des interférences et nécessite une énergie considérable pour changer d'état. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un moyen d'exploiter le spin des électrons — leur moment angulaire intrinsèque, qui agit comme une minuscule boussole interne — sans le fardeau d'un champ magnétique net. C'est la promesse des antiferromagnétiques, une classe de matériaux où les aimants atomiques voisins pointent dans des directions opposées, s'annulant parfaitement les uns les autres. Bien que ces matériaux soient invisibles aux champs magnétiques externes et idéaux pour une informatique ultra-rapide et à faible consommation, ils ont historiquement été difficiles à contrôler car leur ordre interne est très stable et caché. Une percée récente consiste à trouver un moyen de séparer les niveaux d'énergie des électrons ayant des spins opposés dans ces matériaux, un processus connu sous le nom de séparation de spin non relativiste, qui permet de manipuler le flux d'électrons sans avoir besoin de la lourde machinerie du magnétisme traditionnel.

Une équipe de chercheurs a maintenant démontré une méthode pour induire et contrôler dynamiquement cette séparation dans les antiferromagnétiques en utilisant des ondes sonores à l'échelle atomique. Dans une étude axée sur un cristal stratifié appelé trisulfure de manganèse et de phosphore, les scientifiques ont montré qu'en faisant vibrer le matériau avec des motifs de lumière spécifiques, ils pouvaient briser temporairement la symétrie qui maintient les spins des électrons égaux. Ce processus ne repose pas sur l'état magnétique naturel du matériau mais est plutôt piloté par la manière précise dont les atomes sont secoués. Les chercheurs ont découvert que la direction de la lumière utilisée pour secouer les atomes agit comme un interrupteur, sélectionnant le type de comportement de spin qui émerge. En dirigeant la lumière dans une direction, ils ont créé un état où la différence d'énergie entre les électrons spin-up et spin-down est présente partout, y compris au centre de la carte de quantité de mouvement du matériau. En dirigeant la lumière dans une direction perpendiculaire, ils ont créé un état différent où cette différence d'énergie disparaît au centre mais apparaît fortement dans d'autres directions, un motif caractéristique d'une classe de matériaux magnétiques récemment découverte appelée altermagnétiques.

L'étude s'est appuyée sur le fait que les atomes de ce cristal peuvent vibrer de manières spécifiques et coordonnées lorsqu'ils sont frappés par la lumière. Les chercheurs se sont concentrés sur deux types distincts de vibrations qui se produisent à une fréquence d'environ 4,5 térahertz, une vitesse bien trop rapide pour l'oreille humaine mais parfaitement adaptée au rythme naturel des atomes du cristal. Ces vibrations sont « actives dans l'infrarouge », ce qui signifie que les atomes se déplacent d'une manière qui permet d'absorber directement l'énergie lumineuse. L'équipe a utilisé des calculs de premier principe pour modéliser ce qui se passe lorsque ces vibrations sont figées sur place, créant ainsi une sorte de cliché du cristal pendant qu'il est déformé. Ils ont découvert que les deux vibrations, bien que similaires en vitesse, déplacent les atomes selon des motifs fondamentalement différents. Une vibration pousse les atomes de manganèse dans une direction qui brise toutes les connexions symétriques entre les couches magnétiques opposées. L'autre vibration déplace les atomes d'une manière qui préserve une symétrie de miroir spécifique entre ces couches.

Cette différence de symétrie dicte le comportement des électrons. Lorsque la vibration brise toutes les connexions entre les couches magnétiques opposées, les électrons de spins opposés se séparent en énergie à travers tout le matériau, créant une séparation uniforme. Cela est décrit comme un état d'onde s (s-wave), où l'effet est constant dans toutes les directions. En revanche, lorsque la vibration préserve la symétrie de miroir, la séparation d'énergie se comporte différemment. Elle est nulle au centre même de la carte de quantité de mouvement et croît à mesure que l'on s'en éloigne, changeant de signe en traversant certaines lignes. Cela crée un motif d'onde d (d-wave), qui est la signature de l'état altermagnétique. Les chercheurs ont calculé que pour une amplitude de vibration de 0,05 angström, la différence d'énergie entre les spins atteint environ 50 à 100 millielectronvolts, un décalage significatif qui pourrait être détecté et utilisé dans des dispositifs électroniques. Crucialement, la taille de cette séparation d'énergie croît linéairement avec la force de la vibration, ce qui signifie que l'effet peut être ajusté simplement en réglant l'intensité de la lumière.

La force de cette approche réside dans sa sélectivité et sa rapidité. Parce que les deux vibrations répondent à la lumière polarisée dans des directions différentes, un scientifique peut choisir l'état électronique à créer simplement en faisant pivoter la polarisation du faisceau lumineux entrant. Si la lumière est polarisée d'une certaine façon, l'état d'onde s uniforme apparaît ; si elle est pivotée de quatre-vingt-dix degrés, l'état d'onde d directionnel prend le relais. De plus, parce que la vibration est pilotée par une impulsion lumineuse cohérente, la direction du déplacement atomique bascule rapidement d'avant en arrière. Cela provoque l'inversion du signe de la séparation de spin induite en synchronisation avec la vibration, oscillant à la fréquence de la lumière. Cela suggère qu'il est possible de basculer entre différents états de spin à des vitesses de l'ordre du térahertz, bien plus rapidement que les commutateurs électroniques actuels ne peuvent fonctionner. L'étude confirme que ces effets sont principalement dus à la déformation mécanique du réseau cristallin plutôt qu'à des effets relativistes, ce qui rend le phénomène robuste et prévisible.

Ces découvertes établissent une nouvelle voie pour contrôler le spin dans les antiferromagnétiques sans avoir recours à des champs magnétiques statiques ou à des changements chimiques. En utilisant la lumière pour piloter des vibrations atomiques spécifiques, les chercheurs peuvent concevoir dynamiquement les propriétés électroniques d'un matériau, le transformant en un filtre de spin commutable. La capacité de choisir entre un état de séparation de spin uniforme et un état altermagnétique directionnel simplement en changeant l'angle de la lumière offre un outil polyvalent pour les futurs dispositifs spintroniques. Le travail suggère que la symétrie de la structure interne d'un matériau peut être temporairement réécrite par des ondes sonores, ouvrant la porte à une électronique ultra-rapide et à faible consommation qui fonctionne sur des principes que l'on pensait auparavant fixés par l'état naturel du matériau. Cette méthode offre une voie directe pour manipuler le flux d'informations dans la prochaine génération de matériel informatique, où la vitesse et l'efficacité énergétique sont primordiales.