Des scientifiques découvrent un “bouton” pour contrôler le comportement magnétique d’un matériau quantique

“La composition mécanique quantique unique de ce matériau – le tellurure de manganèse-bismuth – lui permet de transporter des courants électriques sans perte, ce qui présente un énorme intérêt technologique”, a déclaré Hari Padmanabhan, qui a dirigé la recherche en tant qu’étudiant diplômé à Penn State. “Ce qui rend ce matériau particulièrement intrigant, c’est que ce comportement est profondément lié à ses propriétés magnétiques. Ainsi, un bouton pour contrôler le magnétisme dans ce matériau pourrait également contrôler efficacement ces courants sans perte.”

Le tellurure de manganèse-bismuth, un matériau 2D composé de couches empilées atomiquement minces, est un exemple d’isolant topologique, des matériaux exotiques qui peuvent simultanément être des isolants et des conducteurs d’électricité, ont déclaré les scientifiques. Surtout, parce que ce matériau est également magnétique, les courants conduits autour de ses bords pourraient être sans perte, ce qui signifie qu’ils ne perdent pas d’énergie sous forme de chaleur. Trouver un moyen d’ajuster les liaisons magnétiques faibles entre les couches du matériau pourrait déverrouiller ces fonctions.

De minuscules vibrations d’atomes, ou de phonons, dans le matériau pourraient être un moyen d’y parvenir, ont rapporté les scientifiques le 8 avril dans la revue Communication Nature.

“Les phonons sont de minuscules mouvements atomiques – des atomes dansant ensemble selon divers motifs, présents dans tous les matériaux”, a déclaré Padmanabhan. “Nous montrons que ces ondulations atomiques peuvent potentiellement fonctionner comme un bouton pour régler la liaison magnétique entre les couches atomiques dans le tellurure de manganèse-bismuth.”

Les scientifiques de Penn State ont étudié le matériau en utilisant une technique appelée spectroscopie magnéto-optique – en tirant un laser sur un échantillon du matériau et en mesurant la couleur et l’intensité de la lumière réfléchie, qui contient des informations sur les vibrations atomiques. L’équipe a observé comment les vibrations changeaient à mesure qu’elles modifiaient la température et le champ magnétique.

En modifiant le champ magnétique, les scientifiques ont observé des changements dans l’intensité des phonons. Cet effet est dû aux phonons qui influencent la faible liaison magnétique entre les couches, ont déclaré les scientifiques.

“En utilisant la température et le champ magnétique pour faire varier la structure magnétique du matériau – un peu comme utiliser un aimant de réfrigérateur pour magnétiser une boussole à aiguille – nous avons constaté que les intensités de phonons étaient fortement corrélées à la structure magnétique”, a déclaré Maxwell Poore, étudiant diplômé. à UC San Diego, et co-auteur de l’étude. “En associant ces découvertes à des calculs théoriques, nous avons déduit que ces vibrations atomiques modifient la liaison magnétique à travers les couches de ce matériau.”

Des scientifiques de l’UC San Diego ont mené des expériences pour suivre ces vibrations atomiques en temps réel. Les phonons oscillent plus vite qu’un billion de fois par seconde, plusieurs fois plus vite que les puces informatiques modernes, ont déclaré les scientifiques. Un processeur informatique de 3,5 gigahertz, par exemple, fonctionne à une fréquence de 3,5 milliards de fois par seconde.

“Ce qui était beau dans ce résultat, c’est que nous avons étudié le matériau en utilisant différentes méthodes expérimentales complémentaires dans différentes institutions et qu’elles ont toutes remarquablement convergé vers la même image”, a déclaré Peter Kim, étudiant diplômé à l’UC San Diego et co-auteur de l’article. .

Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour utiliser directement le bouton magnétique, ont déclaré les scientifiques. Mais si cela peut être réalisé, cela pourrait conduire à des dispositifs ultra-rapides capables de contrôler efficacement et de manière réversible les courants sans perte.

“Un défi majeur dans la fabrication de processeurs électroniques plus rapides et plus puissants est qu’ils chauffent”, a déclaré Venkatraman Gopalan, professeur de science et d’ingénierie des matériaux et de physique à Penn State, ancien conseiller de Padmanabhan et co-auteur de l’article. “Le chauffage gaspille de l’énergie. Si nous pouvions trouver des moyens efficaces de contrôler les matériaux qui hébergent des courants sans perte, cela nous permettrait potentiellement de les déployer dans de futurs appareils électroniques économes en énergie.”

Les autres chercheurs de Penn State étaient Vladimir Stoica, professeur de recherche associé, Huaiyu “Hugo” Wang, étudiant diplômé, et Maxwell Wetherington, scientifique du personnel, Institut de recherche sur les matériaux et Département de science et génie des matériaux; et Seng Huat Lee, professeur assistant de recherche, et Zhiqiang Mao, professeur, 2D Crystal Consortium et Département de physique.

James Rondinelli, professeur, Danilo Puggioni, professeur adjoint de recherche, Mingqiang Gu, chercheur postdoctoral, et Nathan Koocher, étudiant diplômé, Northwestern University, ont également contribué; Xijie Wang, Xiaozhe Shen et Alexander Reid, scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory ; Richard Averitt, professeur, Université de Californie, San Diego ; Richard Schaller, scientifique du personnel, Laboratoire national d’Argonne ; et Aaron Lindenberg, professeur agrégé, Université de Stanford.

Le département américain de l’Énergie, la National Science Foundation et le Army Research Office ont financé cette recherche.