Le magnétisme ne se limite pas aux aimants que nous connaissons. Certains matériaux possèdent des propriétés magnétiques beaucoup plus discrètes, mais tout aussi intéressantes à comprendre. En étudiant le fluorure de manganèse, un matériau connu depuis des décennies, des chercheurs du Laboratoire Léon Brillouin – LLB (UMR CEA–CNRS) en collaboration avec le Laboratoire de physique des solides, l’Oak Ridge National Laboratory et l’Université de Windsor ont démontré qu’il présente une forme particulière de magnétisme, appelée altermagnétisme, dont les manifestations étaient jusqu’ici difficiles à mettre en évidence. Au-delà de ce matériau, leurs résultats permettent de mieux identifier des propriétés magnétiques qui pourraient, à plus long terme, intéresser la recherche sur les technologies électroniques.
Quand on pense au magnétisme, on imagine généralement un aimant attirant des objets métalliques. Pourtant, tous les matériaux magnétiques ne se comportent pas ainsi. À l’intérieur de certains matériaux, les atomes portent de minuscules moments magnétiques, comparables à de petites boussoles, qui pointent dans des directions opposées. Leurs effets se compensent, si bien que le matériau ne présente pas d’aimantation globale. C’est ce que l’on appelle l’antiferromagnétisme. Mais cette compensation peut masquer des propriétés plus subtiles. Dans les matériaux dits altermagnétiques, la manière dont les atomes et leurs moments magnétiques sont organisés dans le cristal donne naissance à des propriétés particulières, qui les distinguent des antiferromagnétiques classiques. Le fluorure de manganèse (MnF₂), étudié depuis les années 1960 comme un exemple classique d’antiferromagnétisme, constitue un cas particulièrement intéressant : sa structure permet l’altermagnétisme, mais les effets permettant de l’identifier sont extrêmement faibles.
Pour rechercher ces effets, les scientifiques se sont intéressés aux mouvements des moments magnétiques à l’intérieur du matériau. Ces derniers ne restent pas parfaitement immobiles : ils peuvent osciller collectivement, donnant naissance à des ondes de spin. Pour observer ces mouvements invisibles à l’œil nu, les chercheurs ont utilisé une technique appelée diffusion inélastique de neutrons. Elle consiste à envoyer un faisceau de neutrons sur un cristal et à analyser la manière dont ils interagissent avec ses excitations magnétiques. L’expérience a été réalisée à très basse température, sur un cristal de MnF₂, grâce à un instrument capable de distinguer de très petites différences d’énergie. Les scientifiques ont également utilisé des neutrons polarisés, dont l’orientation magnétique est contrôlée, afin d’obtenir des informations supplémentaires sur la nature de ces oscillations.
Les premières mesures ont révélé un détail passé inaperçu dans les expériences précédentes : ce qui semblait être une seule onde de spin correspond en réalité à deux modes d’oscillation très proches, mais légèrement différents en énergie. L’écart mesuré est infime, de l’ordre de 0,18 milliélectronvolt. Toutefois, cette observation ne suffit pas à démontrer l’altermagnétisme. Les chercheurs montrent en effet que cette séparation provient principalement d’interactions magnétiques à longue portée déjà connues, qui peuvent produire un tel effet indépendamment de l’altermagnétisme. Pour établir la véritable nature du matériau, il fallait donc aller au-delà de cette différence d’énergie.
C’est là que les neutrons polarisés jouent un rôle décisif. En comparant les mesures obtenues avec deux polarisations opposées, les scientifiques ont fait apparaître un signal particulier, lié à ce que les physiciens appellent la chiralité des ondes de spin, une propriété associée à la manière dont les moments magnétiques tournent au cours de leurs oscillations. Ce signal change de signe entre les deux modes observés. Les calculs théoriques montrent que les seules interactions responsables de leur séparation en énergie ne peuvent pas expliquer cette réponse. Celle-ci révèle une caractéristique propre à l’organisation magnétique du cristal. C’est cette signature expérimentale qui permet d’établir que le fluorure de manganèse est bien altermagnétique, même lorsque les effets spécifiques de cet ordre magnétique sont extrêmement discrets.
Au-delà du fluorure de manganèse, ces résultats apportent un nouvel éclairage sur la diversité des comportements magnétiques de la matière. Ils montrent qu’en affinant les méthodes d’observation, il devient possible de révéler des propriétés qui échappaient jusqu’ici aux mesures classiques. Cette capacité à identifier et comprendre des formes plus subtiles de magnétisme est essentielle pour explorer d’autres matériaux et mieux connaître leurs propriétés. Elle présente également un intérêt à plus long terme pour la spintronique, un domaine de recherche qui cherche à exploiter le spin des électrons, une propriété à l’origine de leur comportement magnétique, dans les composants électroniques. Ces travaux enrichissent ainsi les connaissances et les outils expérimentaux nécessaires à l’exploration de matériaux dont les propriétés pourraient un jour être mises à profit.
Référence
Quentin Faure, Dalila Bounoua, Victor Balédent, Arsen Gukasov, V. Ovidiu Garlea, Afonso Ribeiro, Jeffrey G. Rau, Sylvain Petit et Paul Mc Clarty. « Altermagnetism revealed by polarized neutrons in MnF₂ ». Science, 2026.
Collaboration
- Laboratoire de physique des solides – LPS (UMR Université Paris Saclay – CNRS), France.
- Oak Ridge National Laboratory, Etats-Unis.
- Université de Windsor, Canada.
Contacts
- Sylvain Petit et Paul Mc Clarty, chercheurs au LLB.