Alors qu’elle étudiait un matériau artificiel multicouche, une équipe de chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETH) a découvert un tout nouveau type de magnétisme.
Un mécanisme inédit
La forme de magnétisme la plus connue (qui permet aux objets aimantés de tenir sur votre réfrigérateur) est le ferromagnétisme, apparaissant lorsque les spins de tous les électrons d’un matériau sont orientés dans la même direction. Mais il en existe d’autres, comme le paramagnétisme, qui se produit lorsque les spins des électrons pointent dans des directions aléatoires.
Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Nature, les scientifiques de l’ETH ont exploré les propriétés magnétiques des matériaux moirés. Obtenus en empilant des feuilles bidimensionnelles de diséléniure de molybdène et de disulfure de tungstène, ceux-ci présentent une structure en treillis pouvant être « remplie » d’électrons.
L’équipe a d’abord « déversé » des électrons dans le matériau test via l’application d’une tension électrique croissante. L’intensité avec laquelle il réfléchissait la lumière d’un laser a ensuite été mesurée pour différentes polarisations, afin de déterminer la direction du spin des électrons.
Si les matériaux présentaient initialement un paramagnétisme, les chercheurs suisses ont constaté qu’ils devenaient soudainement ferromagnétiques lorsqu’un certain seuil d’électrons (correspondant dans ce cas à plus d’une particule par « site de réseau ») était atteint. « Il s’agit d’une preuve frappante d’un nouveau type de magnétisme ne pouvant être expliqué par l’interaction d’échange [à l’origine de l’alignement des moments magnétiques dans les matériaux ferromagnétiques] », souligne Ataç Imamoğlu, auteur principal de l’étude.
Magnétisme cinétique
De telles observations suggèrent que lorsque les électrons pénètrent dans un matériau moiré, ils se lient pour former des particules appelées « doublons », qui finissent par remplir l’ensemble de son réseau en treillis par effet tunnel quantique. Minimisant l’énergie cinétique des électrons, ce phénomène entraîne l’alignement de leurs spins.
Selon l’équipe, ce « magnétisme cinétique », prédit il y a des décennies, n’avait jusqu’à présent jamais été observé dans des matériaux solides.
La prochaine étape consistera à déterminer si un tel phénomène se produit également à des températures plus élevées (pour cette expérience, les matériaux avaient dû être refroidis une fraction au-dessus du zéro absolu).
