Les physiciens rapportent de nouvelles perspectives sur les particules exotiques clés pour le magnétisme

1er août 2024

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par Elizabeth A. Thomson, Massachusetts Institute of Technology

Les physiciens du MIT et leurs collègues rapportent de nouvelles découvertes sur les particules exotiques clés pour une forme de magnétisme qui suscite un intérêt croissant car elle provient de matériaux ultraminces ne comportant que quelques couches atomiques. Ces travaux, qui pourraient avoir un impact sur l'électronique future et plus encore, établissent également une nouvelle manière d'étudier ces particules grâce à un instrument puissant au National Synchrotron Light Source II du Brookhaven National Laboratory.

Parmi leurs découvertes, l'équipe a identifié l'origine microscopique de ces particules, appelées excitons. Ils ont montré comment ils peuvent être contrôlés en 'accordant' chimiquement le matériau, principalement composé de nickel. De plus, ils ont découvert que les excitons se propagent dans tout le matériau en vrac au lieu d'être liés aux atomes de nickel.

Enfin, ils ont prouvé que le mécanisme derrière ces découvertes est universel pour des matériaux similaires à base de nickel, ouvrant la voie à l'identification - et au contrôle - de nouveaux matériaux présentant des propriétés électroniques et magnétiques spéciales.

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

'Nous avons essentiellement développé une nouvelle direction de recherche dans l'étude de ces matériaux magnétiques bidimensionnels qui repose largement sur une méthode spectroscopique avancée, la diffusion inélastique des rayons X résonnants (RIXS), disponible au Brookhaven National Lab', explique Riccardo Comin, Professeur adjoint de développement de carrière de la classe de 1947 du MIT en physique et responsable du travail.

Les matériaux magnétiques au cœur du travail actuel sont appelés dihalogénures de nickel. Ils sont composés de couches d'atomes de nickel sandwichées entre des couches d'atomes d'halogène (les halogènes sont une famille d'éléments), pouvant être isolées en couches atomiquement minces. Dans ce cas, les physiciens ont étudié les propriétés électroniques de trois matériaux différents composés de nickel et des halogènes chlore, brome ou iode. Malgré leur structure en apparence simple, ces matériaux hébergent une grande variété de phénomènes magnétiques.

L'équipe était intéressée par la façon dont les propriétés magnétiques de ces matériaux réagissent lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Ils étaient spécifiquement intéressés par des particules particulières - les excitons - et comment ils sont liés au magnétisme sous-jacent. Comment exactement se forment-ils ? Peuvent-ils être contrôlés ?

Un matériau solide est composé de différents types de particules élémentaires, comme des protons et des électrons. Les 'quasiparticules' sont également omniprésentes dans ces matériaux et moins connues du grand public. Elles comprennent les excitons, qui sont composés d'un électron et d'un 'trou', soit de l'espace laissé derrière lorsqu'une lumière est dirigée vers un matériau et que l'énergie d'un photon pousse un électron hors de sa position habituelle.

À travers les mystères de la mécanique quantique, cependant, l'électron et le trou restent 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, où les électrons sont comme de petites aiguilles s'orientant d'une certaine manière. Dans un aimant de réfrigérateur commun, les spins pointent tous dans la même direction. En règle générale, les spins peuvent s'organiser dans d'autres motifs conduisant à différents types d'aimants. Le magnétisme unique associé aux dihalogénures de nickel est l'une de ces formes moins conventionnelles, le rendant attrayant pour la recherche fondamentale et appliquée.

L'équipe du MIT a exploré comment les excitons se forment dans les dihalogénures de nickel. Plus spécifiquement, ils ont identifié les énergies exactes, ou longueurs d'onde, de lumière nécessaires pour les créer dans les trois matériaux étudiés.

'Nous avons été en mesure de mesurer et d'identifier l'énergie nécessaire pour former les excitons dans trois dihalogénures de nickel différents en 'accordant' chimiquement, ou en changeant, l'atome d'halogène du chlore au brome à l'iode', explique Occhialini. 'C'est une étape essentielle vers la compréhension de la manière dont les photons - la lumière - pourraient un jour être utilisés pour interagir avec ou surveiller l'état magnétique de ces matériaux.' Les applications ultimes incluent l'informatique quantique et les capteurs innovants.