Un nouveau chapitre dans le magnétisme et la science thermique

Dans une nouvelle étude, les scientifiques ont étudié la classe nouvellement découverte de matériaux altermagnétiques pour leurs propriétés thermiques, offrant ainsi un aperçu de la nature distinctive des alter-aimants pour les applications caloritroniques de spin.

Le magnétisme est un sujet ancien et bien étudié, se prêtant à de nombreuses applications, comme les moteurs et les transformateurs. Cependant, de nouveaux matériaux et phénomènes magnétiques sont étudiés et découverts, parmi lesquels les alter-aimants.

Les alter-aimants présentent un mélange unique de caractéristiques magnétiques, les distinguant des matériaux magnétiques conventionnels comme les ferromagnétiques et les antiferromagnétiques. Ces matériaux présentent des propriétés observées à la fois dans les ferromagnétiques et les antiferromagnétiques, ce qui rend leur étude attrayante.

Les recherches actuelles, publié dans Lettres d’examen physiqueexplore les propriétés thermiques des alter-aimants et a été dirigé par les professeurs Wanxiang Feng et Yugui Yao de l’Institut de technologie de Pékin.

Parlant de leur motivation derrière l’exploration des alter-aimants, le professeur Feng a déclaré à Phys.org : « Le magnétisme est un sujet ancien et fascinant en physique du solide. En explorant les aimants non colinéaires au cours des dernières décennies, nous avons rencontré un nouveau type d’aimant colinéaire, l’alter-aimant. »

Le professeur Yao a ajouté : « Avec une double nature ressemblant à la fois aux ferromagnétiques et aux antiferromagnétiques, les alter-aimants nous ont intrigués par le potentiel de nouveaux effets physiques. Notre motivation découle du désir de comprendre et de découvrir les propriétés uniques de ces matériaux magnétiques. »

L’émergence du magnétisme

Les propriétés magnétiques émergent du comportement des atomes, en particulier de la disposition et du mouvement des électrons au sein d’un matériau.

« Dans les matériaux magnétiques, en raison de l’interaction d’échange entre les atomes, les moments magnétiques de spin sont disposés de manière parallèle ou antiparallèle, formant respectivement les ferromagnétiques et les antiferromagnétiques les plus courants, étudiés depuis plus d’un siècle », a expliqué le professeur Feng.

Les alter-aimants défient les normes conventionnelles en incarnant une double nature : ressemblant à des antiferromagnétiques avec une magnétisation nette nulle et à des ferromagnétiques avec une division de spin non relativiste.

Dans les alter-aimants, l’ordre magnétique antiparallèle colinéaire se combine avec une division de spin non relativiste, ce qui entraîne simultanément une magnétisation nette nulle semblable aux antiferromagnétiques et à la dynamique de spin ferromagnétique.

Ce comportement unique émerge de l’interaction complexe des atomes au sein de la structure cristalline. Par exemple, le dioxyde de ruthénium, objet de cette recherche, présente une dégénérescence de spin induite par des atomes d’oxygène non magnétiques, brisant les symétries spatiales et temporelles. Cela conduit aux propriétés magnétiques uniques du matériau.

De plus, les alter-aimants présentent une polarisation de spin unique. Le terme « polarisation de spin » signifie qu’une prépondérance de spins électroniques a tendance à s’aligner dans une direction particulière.

La polarisation de spin est remarquable dans les alter-aimants car elle se produit dans la disposition physique des atomes (espace réel) et dans l’espace de l’impulsion, où la distribution des spins des électrons dans le matériau est prise en compte.

Effets Nernst et Hall

Les chercheurs se sont concentrés sur l’étude de l’émergence des effets cristallins Nernst et Hall thermique dans le dioxyde de rubidium (RuO2), choisi comme vitrine représentative de l’altermagnétisme.

L’effet cristallin Nernst (CNE) observé dans les alter-aimants est le résultat de leur nature magnétique distinctive. En termes simples, lorsque le matériau subit une différence de température dans ses dimensions, cela conduit à l’émergence d’une tension perpendiculaire à la fois au gradient de température et au champ magnétique. Ce phénomène révèle que les propriétés magnétiques du matériau influencent sa réponse aux changements de température, fournissant ainsi un aperçu du lien complexe entre les comportements thermiques et magnétiques des alter-aimants.

Dans les alter-aimants, cet effet est significativement influencé par la direction du vecteur Néel, qui représente la direction dans laquelle les moments magnétiques voisins s’alignent. Cela ajoute une couche supplémentaire de complexité à la réponse thermique.

De même, l’effet Hall thermique cristallin (CTHE) met en lumière la façon dont la chaleur se déplace dans les alter-aimants. Comme l’effet Hall thermique traditionnel, il se produit perpendiculairement au gradient de température et au champ magnétique. Dans les alter-aimants, le CTHE présente une variation significative en fonction de la direction du vecteur Néel. Cette anisotropie est un facteur central dans la compréhension du comportement de transport thermique propre aux matériaux altermagnétiques.

Propriétés thermiques du RuO2

La méthodologie de recherche a utilisé une double stratégie, combinant l’analyse de symétrie et des calculs de pointe sur les premiers principes, pour découvrir les propriétés de transport thermique du RuO2. L’analyse de la symétrie a joué un rôle crucial dans la découverte des raisons fondamentales de l’émergence de l’altermagnétisme.

Grâce à deux opérations de symétrie impliquant l’inversion spatiale, l’inversion du temps et la translation du réseau, l’étude a mis en évidence l’interaction complexe des atomes au sein de la structure cristalline, démontrant comment les atomes d’oxygène non magnétiques induisaient une division de spin non relativiste dans les bandes d’énergie.

Ce processus a entraîné la rupture de la symétrie cristalline d’inversion du temps, donnant lieu à des propriétés distinctes de transport thermique des cristaux.

« Grâce à une analyse détaillée, nous avons identifié trois mécanismes physiques contribuant au transport thermique des cristaux : les lignes pseudo-nodales de Weyl, les plans pseudo-nodaux altermagnétiques et les transitions en échelle altermagnétique », a déclaré le professeur Yao.

En termes simples, les lignes pseudo-nodales de Weyl sont des voies qui guident la chaleur à l’intérieur du matériau, les plans pseudo-nodaux altermagnétiques peuvent être des images comme des zones désignées influençant le flux de chaleur, et les transitions d’échelles altermagnétiques peuvent être considérées comme la façon dont le matériau grimpe sur une couche de chaleur. échelle.

Ces découvertes sont passionnantes car elles jouent un rôle important dans la façon dont la chaleur se déplace au sein des alter-aimants.

Les chercheurs ont découvert une loi Wiedemann-Franz étendue dans RuO2, reliant les caractéristiques inhabituelles de transport thermique et électrique du matériau. Contrairement aux attentes conventionnelles, cette loi étendue fonctionne sur une plage de températures plus large, s’étendant au-delà de 150 Kelvin.

Caloritronique de spin

Les chercheurs pensent que les alter-aimants pourraient jouer un rôle central dans la caloritronique de spin, un domaine de recherche qui explore l’interaction entre le spin et le flux de chaleur, ce qui n’est pas possible avec les ferromagnétiques ou les antiferromagnétiques. Ce domaine a des applications potentielles dans le développement de nouvelles technologies de traitement et de stockage de l’information.

« Les matériaux altermagnétiques avec un ordre magnétique antiparallèle colinéaire présentent une dynamique de spin plus rapide et une sensibilité moindre aux champs magnétiques parasites par rapport aux matériaux ferromagnétiques. Cela les rend prometteurs pour obtenir une densité de stockage plus élevée et des dispositifs caloritroniques à spin plus rapides », a expliqué le professeur Feng.

Les chercheurs ont également l’intention d’étudier à l’avenir le transport thermique des cristaux d’ordre supérieur et les effets magnéto-optiques.

En parlant de cela, le professeur Yao a déclaré : « Nous sommes curieux de connaître les différences dans le transport thermique des cristaux d’ordre supérieur et les effets magnéto-optiques d’ordre supérieur dans les alter-aimants par rapport aux antiferromagnétiques ou aux ferromagnétiques. Nous en sommes aux premiers stades de cette technologie, et il y a un long chemin à parcourir avant que cela devienne pratiquement réalisable. »

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