Une équipe de chercheurs dirigée par le Laboratoire national d’Argonne du département américain de l’énergie s’est plongée dans l’étude approfondie des matériaux antiferromagnétiques. Leur recherche visait à comprendre comment ces matériaux réagiraient à une manipulation spécifique des spins électroniques, une propriété intrinsèque des électrons. L’objectif était de déterminer si, en perturbant ces spins, il est possible d’induire des changements macroscopiques dans le matériau. Si l’expérience peut être reproduite et que les résultats sont validés, cela pourrait aboutir à diverses applications, notamment dans le domaine biomédical.
Le « spin électronique » est une propriété des électrons qui peut être imaginée comme une toupie en rotation. Le sens de cette rotation, souvent représentée par une flèche, peut varier, pointant par exemple vers le haut ou le bas. Dans les matériaux magnétiques, tous ces spins pointent généralement dans la même direction, conférant à l’ensemble son magnétisme (sa capacité à être attiré par un aimant). Cependant, il existe un autre type de matériau magnétique : l’antiferromagnétique. Dans ce dernier, les spins des électrons ont des sens différents, créant une alternance qui annule l’effet magnétique.
Ainsi, dans cette étude publiée dans la revue Nature, les chercheurs ont voulu déterminer comment ces matériaux antiferromagnétiques réagissent quand leurs spins sont manipulés. Cette curiosité n’est pas sans fondement. Dans le passé, des expériences ont montré que la manipulation du spin peut influencer profondément le comportement des matériaux magnétiques. Un exemple frappant est l’expérience menée par les physiciens Albert Einstein et Wander de Haas, où un simple cylindre de fer s’est mis à tourner en réponse à l’inversion d’un champ magnétique, reflétant une inversion de ses spins électroniques. La question était donc : avec une réaction aussi évidente dans les matériaux ferromagnétiques, quelle serait la réponse des matériaux antiferromagnétiques à des manipulations des spins ?
Une expérience sur le FePS3
Les chercheurs ont choisi d’utiliser le trisulfure de fer et de phosphore (FePS3) comme matériau antiferromagnétique. Il se distingue par sa structure stratifiée, où chaque couche interagit faiblement avec ses voisines. Les scientifiques se sont servis d’impulsions laser pour perturber les spins du matériau. Afin de décrypter les réactions du FePS3, ils ont procédé en utilisant d’abord des impulsions optiques, qui ont permis d’examiner la manière dont le matériau transmettait la lumière, fournissant ainsi des indices sur les changements au niveau moléculaire. Ensuite, ils ont fait appel aux rayons X pour scruter la structure interne du FePS3. Enfin, ils ont utilisé des impulsions d’électrons afin d’en savoir plus concernant les propriétés électroniques du matériau.
Des réactions surprenantes
L’une des observations les plus marquantes a été la transformation de la propriété magnétique du matériau. Alors que dans un antiferromagnétique typique, les spins électroniques s’alignent en alternant entre le haut et le bas, l’intervention des impulsions laser les a désordonnés.
Le FePS3 a également révélé une réponse mécanique étonnante : une couche du matériau a commencé à glisser par rapport à sa voisine. Ce phénomène est remarquable, car il montre comment une perturbation à une échelle aussi infime que celle des spins électroniques peut entraîner des changements macroscopiques dans la structure du matériau. Par ailleurs, les chercheurs ont constaté que ce glissement entre les couches se produisait à une vitesse vertigineuse, oscillant entre 10 et 100 picosecondes. Pour donner une idée de cette rapidité, en une picoseconde, la lumière ne parcourt qu’un tiers de millimètre.
Cette découverte pourrait aboutir à des applications innovantes dans la conception de dispositifs nécessitant un contrôle de mouvement ultraprécis et ultrarapide. C’est par exemple le cas dans la conception des nanorobots, utilisés à des fins de diagnostic et de chirurgie peu invasive.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]