Les interactions magnétiques récemment découvertes pourraient conduire à de nouvelles façons de manipuler le flux d’électrons

Les interactions magnétiques récemment découvertes dans l’aimant topologique en couches de Kagome TbMn6Sn6 pourraient être la clé pour personnaliser la façon dont les électrons circulent à travers ces matériaux. Des scientifiques du Laboratoire national Ames du Département américain de l’énergie et du Laboratoire national d’Oak Ridge ont mené une enquête approfondie sur le TbMn6Sn6 afin de mieux comprendre le matériau et ses caractéristiques magnétiques. Ces résultats pourraient avoir un impact sur les futures avancées technologiques dans des domaines tels que l’informatique quantique, les supports de stockage magnétiques et les capteurs de haute précision.

Les kagomes sont un type de matériau dont la structure tire son nom d’une technique traditionnelle japonaise de tissage de paniers. Le tissage produit un motif d’hexagones entourés de triangles et vice-versa. La disposition des atomes dans les métaux Kagome reproduit le motif de tissage. Cette caractéristique fait que les électrons dans le matériau se comportent de manière unique.

Les matériaux solides ont des propriétés électroniques contrôlées par les caractéristiques de leur structure de bande électronique. La structure de la bande dépend fortement de la géométrie du réseau atomique, et parfois les bandes peuvent afficher des formes spéciales telles que des cônes. Ces formes particulières, appelées caractéristiques topologiques, sont responsables du comportement unique des électrons dans ces matériaux. La structure Kagome en particulier conduit à des caractéristiques complexes et potentiellement accordables dans les bandes électroniques.

L’utilisation d’atomes magnétiques pour construire le réseau de ces matériaux, tels que Mn dans TbMn6Sn6, peut en outre aider à induire des caractéristiques topologiques. Rob McQueeney, scientifique à Ames Lab et chef de projet, a expliqué que les matériaux topologiques « ont une propriété spéciale où sous l’influence du magnétisme, vous pouvez obtenir des courants qui circulent sur le bord du matériau, qui sont sans dissipation, ce qui signifie que le les électrons ne se dispersent pas et ils ne dissipent pas d’énergie. »

L’équipe a entrepris de mieux comprendre le magnétisme dans TbMn6Sn6 et a utilisé des calculs et des données de diffusion de neutrons recueillies auprès de la source de neutrons à spallation d’Oak Ridge pour effectuer leur analyse. Simon Riberolles, associé de recherche postdoctoral au Ames Lab et membre de l’équipe du projet, a expliqué la technique expérimentale utilisée par l’équipe. La technique implique un faisceau de particules de neutrons qui est utilisé pour tester la rigidité de l’ordre magnétique. « La nature et la force des différentes interactions magnétiques présentes dans les matériaux peuvent toutes être cartographiées à l’aide de cette technique », a-t-il déclaré.

Ils ont découvert que TbMn6Sn6 a des interactions concurrentes entre les couches, ou ce qu’on appelle un magnétisme frustré. « Donc, le système doit faire un compromis », a déclaré McQueeney, « généralement, cela signifie que si vous le poussez, vous pouvez lui faire faire différentes choses. Mais ce que nous avons découvert dans ce matériel, c’est que même si ces concurrents il y a des interactions, il y a d’autres interactions qui sont dominantes. »

Il s’agit de la première étude détaillée des propriétés magnétiques de TbMn6Sn6 à être publiée. « Dans la recherche, c’est toujours excitant quand vous réalisez que vous comprenez quelque chose de nouveau, ou que vous mesurez quelque chose qui n’a pas été vu auparavant, ou qui a été compris partiellement ou d’une manière différente », a déclaré Riberolles.

McQueeney et Riberolles ont expliqué que leurs découvertes suggèrent que le matériau pourrait potentiellement être ajusté pour des caractéristiques magnétiques spécifiques, par exemple en changeant le Tb pour un élément de terre rare différent, ce qui changerait le magnétisme du composé. Cette recherche fondamentale ouvre la voie à des avancées continues dans la découverte des métaux Kagome.

Cette recherche est discutée plus en détail dans l’article publié dans Examen physique X.