Les phonons, quasi-particules associées aux sons ou aux vibrations du réseau, peuvent transporter une quantité de mouvement et un moment cinétique. Cependant, ces quasi-particules sont communément considérées comme possédant des moments magnétiques négligeables.
Des chercheurs de l’Université de Nanjing et de l’Académie chinoise des sciences ont récemment mené une expérience étudiant les moments magnétiques des phonons de Fe2Mo3O8, un antiferromagnétique polaire. Leur étude, en vedette dans Physique naturelleont découvert des moments magnétiques de phonons géants améliorés par les fluctuations de spin dans Fe2Mo3O8.
« Les découvertes récentes de grands moments magnétiques de phonons (PMM) dans des systèmes topologiques non magnétiques nous ont inspirés à réfléchir aux propriétés magnétiques des phonons dans un système ordonné en spin », a déclaré Qi Zhang, l’un des chercheurs qui ont mené l’étude, à Phys. .org.
« À première vue, les différents types d’interaction spin-réseau devraient prendre en charge de grands PMM dans les matériaux magnétiques, mais cela n’a pas encore été identifié avant ces travaux. Les rôles des corrélations à plusieurs corps et des fluctuations dans la formation des PMM n’étaient pas clairs. »
L’objectif principal des travaux récents de Zhang et de ses collègues était de mieux comprendre l’interaction entre les phonons et le magnétisme. Pour ce faire, ils ont réalisé une série d’expériences sur l’antiferromagnétique Fe2Mo3O8.
« Les grands moments magnétiques des phonons établissent un lien direct entre la vibration du réseau et toutes sortes de processus magnétiques, ce qui ouvre de nouvelles opportunités pour le contrôle phononique de la dynamique magnétique ainsi que de nouveaux dispositifs d’information sur les spins basés sur le PMM », a expliqué Zhang. « En termes de choix du système de matériaux, nous nous concentrons sur le Fe2Mo3O8 multiferroïque de type Ⅰ, qui présente un coefficient de Hall thermique remarquablement élevé, indiquant un fort couplage spin-réseau. »
Dans leurs expériences, Zhang et leurs collègues ont utilisé deux techniques clés, à savoir la spectroscopie magnéto-Raman et la diffusion inélastique des neutrons. Ces techniques leur ont permis de découvrir la nature phononique d’une paire d’excitations de basse altitude à 42 cm-1 (5,3 meV) dans des monocristaux de Fe2Mo3O8.
« Nous avons ensuite obtenu les moments magnétiques des phonons (PMM) de ces modes via l’effet Zeeman des phonons, notamment en mesurant la pente du décalage de fréquence des phonons dans la spectroscopie Raman résolue en polarisation sous des champs magnétiques », a déclaré Zhang. « Une amélioration inhabituelle du PMM a été trouvée près des limites entre les phases antiferromagnétique et paramagnétique. »
Cette étude expérimentale récente était le fruit d’un effort de recherche conjoint impliquant l’équipe du professeur Yuan Wan de l’Académie chinoise des sciences et le laboratoire du professeur Jinsheng Wen de l’Université de Nanjing. Le groupe du professeur Wan a effectué une analyse de symétrie pour définir un modèle minimal capturant la physique essentielle à la base de l’expérience, tandis que le professeur Wen synthétisait l’échantillon et collectait les mesures neutroniques.
« La découverte la plus frappante de cet article est l’amélioration de 600 % des fluctuations ferrimagnétiques du PMM à proximité de la transition magnétique », a déclaré Zhang. « En principe, une telle amélioration des fluctuations pourrait offrir un PMM qui surpasse le moment magnétique d’un électron ou d’un mode magnon (magnéton de 2 Bohr) et diverge même avec la susceptibilité magnétique. »
Les chercheurs ont finalement détecté une multiplication par six du moment magnétique du phonon dans leur échantillon. À l’avenir, leurs travaux et le modèle microscopique théorique résumant leurs observations pourraient ouvrir la voie à de nouvelles découvertes intéressantes sur l’interaction entre le magnétisme et les phonons.
« D’une part, nous prévoyons maintenant d’étendre ce travail au régime de non-équilibre, par exemple, nous nous intéressons à la dynamique magnétique pilotée par les phonons chiraux ou même au ferromagnétisme transitoire », a ajouté Zhang. « D’un autre côté, pour un phonon avec un moment magnétique important, nous prévoyons d’explorer son comportement dans un processus de transport thermique et de déterminer si une version phononique de l’effet Hall de spin peut se produire dans ce système. »
Plus d’information:
Fangliang Wu et al, Moments magnétiques de phonons améliorés par fluctuation dans un antiferromagnétique polaire, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-02210-4.
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