Des physiciens font état de nouvelles découvertes sur les particules exotiques essentielles au magnétisme

Des physiciens du MIT et leurs collègues ont fait part de nouvelles connaissances sur les particules exotiques qui sont à l’origine d’une forme de magnétisme qui suscite un intérêt croissant car elle provient de matériaux ultraminces d’une épaisseur de seulement quelques couches atomiques. Ces travaux, qui pourraient avoir un impact sur l’électronique du futur et bien plus encore, établissent également une nouvelle façon d’étudier ces particules grâce à un puissant instrument de la National Synchrotron Light Source II du Brookhaven National Laboratory.

Parmi les découvertes de l’équipe, l’origine microscopique de ces particules, appelées excitons, a été identifiée. Elle a montré comment les contrôler en « ajustant » chimiquement le matériau, principalement composé de nickel. De plus, elle a découvert que les excitons se propagent dans tout le matériau au lieu d’être liés aux atomes de nickel.

Enfin, ils ont prouvé que le mécanisme à l’origine de ces découvertes est omniprésent dans des matériaux similaires à base de nickel, ouvrant la voie à l’identification et au contrôle de nouveaux matériaux dotés de propriétés électroniques et magnétiques particulières.

Les résultats en libre accès sont publiés dans le numéro du 12 juillet de Examen physique X.

« Nous avons essentiellement développé une nouvelle direction de recherche dans l’étude de ces matériaux magnétiques bidimensionnels qui repose en grande partie sur une méthode spectroscopique avancée, la diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS), qui est disponible au Brookhaven National Lab », explique Riccardo Comin, professeur associé de physique en développement de carrière de la classe de 1947 du MIT et responsable des travaux.

Couches ultra-minces

Les matériaux magnétiques au cœur des travaux actuels sont connus sous le nom de dihalogénures de nickel. Ils sont composés de couches d’atomes de nickel prises en sandwich entre des couches d’atomes d’halogène (les halogènes sont une famille d’éléments), qui peuvent être isolés en couches atomiquement minces. Dans ce cas, les physiciens ont étudié les propriétés électroniques de trois matériaux différents composés de nickel et d’halogènes comme le chlore, le brome ou l’iode. Malgré leur structure d’une simplicité trompeuse, ces matériaux abritent une grande variété de phénomènes magnétiques.

L’équipe s’est intéressée à la façon dont les propriétés magnétiques de ces matériaux réagissent lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Elle s’est intéressée plus particulièrement à des particules particulières, les excitons, et à leur lien avec le magnétisme sous-jacent. Comment se forment-ils exactement ? Peuvent-ils être contrôlés ?

Entrez les excitons

Un matériau solide est composé de différents types de particules élémentaires, comme les protons et les électrons. On trouve également dans ces matériaux des « quasi-particules » que le public connaît moins bien. Il s’agit notamment des excitons, composés d’un électron et d’un « trou », c’est-à-dire de l’espace laissé par la lumière sur un matériau et l’énergie d’un photon qui fait sauter un électron hors de sa position habituelle.

Grâce aux mystères de la mécanique quantique, l’électron et le trou sont néanmoins toujours connectés et peuvent « communiquer » entre eux par le biais d’interactions électrostatiques. Cette interaction conduit à une nouvelle particule composite formée par l’électron et le trou : un exciton.

Contrairement aux électrons, les excitons n’ont pas de charge mais possèdent un spin. Le spin peut être considéré comme un aimant élémentaire, dans lequel les électrons sont comme de petites aiguilles s’orientant d’une certaine manière. Dans un aimant de réfrigérateur classique, les spins pointent tous dans la même direction. En général, les spins peuvent s’organiser selon d’autres modèles conduisant à différents types d’aimants. Le magnétisme unique associé aux dihalogénures de nickel est l’une de ces formes moins conventionnelles, ce qui le rend attrayant pour la recherche fondamentale et appliquée.

L’équipe du MIT a étudié la manière dont les excitons se forment dans les dihalogénures de nickel. Plus précisément, ils ont identifié les énergies exactes, ou longueurs d’onde, de la lumière nécessaires à leur création dans les trois matériaux étudiés.

« Nous avons pu mesurer et identifier l’énergie nécessaire à la formation des excitons dans trois halogénures de nickel différents en modifiant chimiquement l’atome d’halogénure, du chlore au brome puis à l’iode », explique Occhialini. « Il s’agit d’une étape essentielle pour comprendre comment les photons (la lumière) pourraient un jour être utilisés pour interagir avec ces matériaux ou pour surveiller leur état magnétique. » Les applications potentielles incluent l’informatique quantique et les nouveaux capteurs.

Ces travaux pourraient également aider à prédire de nouveaux matériaux impliquant des excitons qui pourraient avoir d’autres propriétés intéressantes. De plus, bien que les excitons étudiés proviennent des atomes de nickel, l’équipe a découvert qu’ils ne restaient pas localisés à ces sites atomiques. Au lieu de cela, « nous avons montré qu’ils peuvent effectivement sauter d’un site à l’autre dans tout le cristal », explique Occhialini. « Cette observation de saut est la première pour ces types d’excitons et offre une fenêtre sur la compréhension de leur interaction avec les propriétés magnétiques du matériau. »

Un instrument spécial

La diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS), une technique expérimentale dont les coauteurs Pelliciari et Bisogni ont contribué à la mise au point, est essentielle à ces travaux, en particulier pour l’observation des sauts d’excitons. Seules quelques installations dans le monde disposent d’instruments RIXS avancés à haute résolution énergétique. L’une d’entre elles se trouve à Brookhaven. Pelliciari et Bisogni font partie de l’équipe qui gère l’installation RIXS de Brookhaven. Occhialini rejoindra l’équipe là-bas en tant que postdoctorant après avoir obtenu son doctorat au MIT.

Le RIXS, avec sa sensibilité spécifique aux excitons des atomes de nickel, a permis à l’équipe de « poser les bases d’un cadre général pour les systèmes de dihalogénures de nickel », explique Pelliciari. « Il nous a permis de mesurer directement la propagation des excitons. »

Parmi les collègues de Comin qui ont participé à ce travail figurent Connor A. Occhialini, un étudiant diplômé en physique du MIT, et Yi Tseng, un récent postdoctorant du MIT qui travaille actuellement au Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Tous deux sont co-auteurs principaux de l’étude Examen physique X Les autres auteurs sont Hebatalla Elnaggar de la Sorbonne ; Qian Song, étudiant diplômé du département de physique du MIT ; Mark Blei et Seth Ariel Tongay de l’université d’État de l’Arizona ; Frank MF de Groot de l’université d’Utrecht ; et Valentina Bisogni et Jonathan Pelliciari du Brookhaven National Laboratory.