Une étude révèle d'énormes moments magnétiques des phonons améliorés par des fluctuations dans un antiferromagnétique polaire.
28 octobre 2023
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corrigé par Ingrid Fadelli, Phys.org
Les phonons, quasi-particules associées aux sons ou aux vibrations du réseau, peuvent porter de l'élan et du moment angulaire. Cependant, on considère généralement que ces quasi-particules possèdent des moments magnétiques négligeables.
Des chercheurs de l'Université de Nanjing et de l'Académie chinoise des sciences ont récemment réalisé une expérience pour étudier les moments magnétiques des phonons dans Fe2Mo3O8, un antiferromagnétique polaire. Leur étude, publiée dans Nature Physics, a révélé de grands moments magnétiques des phonons, renforcés par les fluctuations de spin dans Fe2Mo3O8.
« Les découvertes récentes de grands moments magnétiques des phonons dans des systèmes topologiques non magnétiques nous ont poussés à réfléchir aux propriétés magnétiques des phonons dans un système à ordre de spin », a déclaré Qi Zhang, l'un des chercheurs à l'origine de l'étude, à Phys.org.
« À première vue, les différents types d'interaction entre spin et réseau devraient favoriser de grands moments magnétiques des phonons dans les matériaux magnétiques, cependant cela n'avait pas encore été identifié avant ce travail. Les rôles des corrélations et des fluctuations entre plusieurs particules dans la formation de ces moments magnétiques des phonons étaient flous. »
Le principal objectif de cette étude récente 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 fournissent un lien direct entre les vibrations du réseau et toutes sortes de processus magnétiques, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour le contrôle phononique de la dynamique magnétique ainsi que pour les dispositifs d'information de spin novateurs basés sur ces moments magnétiques des phonons », a expliqué Zhang. « En termes de choix de système matériel, nous nous sommes concentrés sur le multiferroïque de type Ⅰ Fe2Mo3O8, qui présente un coefficient de Hall thermique remarquablement grand, indiquant un fort couplage spin-réseau. »
Dans leurs expériences, Zhang et ses 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 énergie à 42 cm-1 (5,3 meV) dans des cristaux simples de Fe2Mo3O8.
« Nous avons ensuite obtenu les moments magnétiques des phonons (PMM) de ces modes via l'effet Zeeman des phonons, c'est-à-dire en mesurant la pente du décalage de fréquence des phonons en spectroscopie Raman polarisée sous l'effet de champs magnétiques », a déclaré Zhang. « Nous avons trouvé une augmentation inhabituelle des PMM près des frontières entre les phases antiferromagnétique et paramagnétique. »
Cette étude expérimentale récente a été réalisée dans le cadre d'une collaboration entre l'équipe du professeur Yuan Wan à l'Académie chinoise des sciences et le laboratoire du professeur Jinsheng Wen à l'Université de Nanjing. Le groupe du professeur Wan a réalisé une analyse de symétrie pour définir un modèle minimal qui rend compte de la physique essentielle à l'origine de l'expérience, tandis que le professeur Wen a synthétisé l'échantillon et a effectué les mesures neutroniques.
« La découverte la plus frappante de cet article est l'augmentation de 600% des fluctuations ferromagnétiques des moments magnétiques des phonons près de la transition magnétique », a déclaré Zhang. « En principe, une telle augmentation des fluctuations pourrait offrir un moment magnétique des phonons qui dépasse celui d'un électron ou d'un mode magnon (2 magnétons de Bohr) et qui même diverge avec la susceptibilité magnétique. »
Les chercheurs ont finalement détecté une augmentation de six fois du moment magnétique des phonons 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 non équilibre, par exemple, nous nous intéressons à la dynamique magnétique induite par les phonons chiraux ou même à la ferromagnétisme temporaire », a ajouté Zhang. « D'autre part, pour un phonon avec un grand moment magnétique, nous prévoyons d'étudier son comportement lors d'un processus de transport thermique, et de savoir si une version phononique de l'effet Hall de spin peut se produire dans ce système. »
Informations sur la revue : Nature Physics
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