Des chercheurs étudient les excitons dans les aimants de van der Waals
Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven, du Département de l’énergie des États-Unis (DOE), a découvert des détails sur la formation et le comportement d’objets microscopiques mobiles, appelés « excitons », dans une classe de matériaux connus sous le nom d’aimants de van der Waals.
Cette étude jette un éclairage sur la relation complexe entre les propriétés optiques et magnétiques de ces matériaux qui présentent des caractéristiques intrigantes. Ces dernières pourraient un jour conduire à de nouvelles technologies basées sur le magnétisme, comme le stockage d’informations.
Caractérisation du NiPS3
Les chercheurs ont étudié le matériau cristallin, le trisulfure de nickel et phosphore (NiPS3), en utilisant la source de lumière synchrotron nationale II (NSLS-II), un établissement du bureau des sciences du DOE situé à Brookhaven. La NSLS-II produit des faisceaux intenses de lumière X qui servent à analyser une vaste gamme de matériaux et d’échantillons biologiques, allant des composés de batteries aux protéines.
Un exciton se compose d’un électron et d’un « trou » — un espace dans un cristal dépourvu d’électron, ayant un comportement semblable à une particule chargée positivement — qui sont couplés et se déplacent comme une unité. La découverte d’excitons dans le NiPS3 a suscité un intérêt considérable pour ce matériau particulier de van der Waals.
Interaction entre excitons et magnétisme
Ce phénomène est lié à une connexion potentiellement forte entre les excitons et la structure magnétique sous-jacente, ouvrant ainsi une voie pour mieux comprendre, voire contrôler, les excitons via le magnétisme. Néanmoins, malgré plusieurs études antérieures, les scientifiques n’ont pas encore réussi à élucider la structure et le mouvement des excitons dans le NiPS3.
Le groupe a relevé ce défi en utilisant une technique de rayons X appelée diffusion inélastique résonante par rayons X (RIXS), disponible au sein de la ligne de faisceau Soft Inelastic X-ray Scattering (SIX) de la NSLS-II. Cette station expérimentale de pointe a été conçue pour exploiter les faisceaux de rayons X ultrabrillants de la NSLS-II afin d’étudier les propriétés électroniques des matériaux solides, révélant les comportements énergétiques avec une très haute résolution.
Découvertes majeures sur les excitons
Les chercheurs ont découvert que la formation et la propagation des excitons à travers le cristal de NiPS3 sont régies par un principe physique connu sous le nom d’interaction d’échange de Hund. Ce principe dicte l’énergie de différentes configurations de spin électronique, ce moment magnétique, « vers le haut » ou « vers le bas », que chaque électron transporte. Dans le NiPS3, cet échange de Hund fournit l’énergie nécessaire pour que l’exciton se forme.
En outre, l’étude indique que l’exciton se propage à travers le cristal d’une manière similaire à celle d’une perturbation de spin appelée « double-magnon », un autre quasiparticule. Les magnons, qui sont des excitations collectives des spins électroniques dans un réseau cristallin, constituent une autre facette des comportements électroniques et magnétiques entrelacés dans les aimants de van der Waals.
Perspectives d’avenir
« Dans les années à venir, à mesure que les instruments et les techniques, comme le RIXS et la microscopie électronique, continueront à se développer, nous nous attendons à pouvoir effectuer des mesures encore plus précises sur le NiPS3, » a déclaré Wei He, chercheur postdoctoral et auteur principal de l’étude. « Nous croyons que ce matériau a un potentiel exceptionnel pour ouvrir la voie à l’utilisation des excitons de Hund magnétiques afin de réaliser de nouvelles formes d’information magnétique contrôlable. »
Pour en savoir plus, référez-vous à l’article publié dans la revue Nature Communications.