Des physiciens détectent un magnétisme « octupolaire » grâce à des vibrations atomiques induites par la lumière

La plupart des aimants que l'on manipule au quotidien sont de simples objets à deux pôles : un nord et un sud, un positif et un négatif. Cette disposition familière, appelée dipôle, sous-tend tout, des aimants de réfrigérateur aux têtes de lecture des disques durs. Mais à mesure que la mécanique quantique a mûri, les chercheurs ont découvert que le magnétisme peut prendre des formes bien plus étranges à l'intérieur de certains matériaux cristallins, notamment un « ordre octupolaire » dans lequel un réseau de particules se comporte collectivement comme s'il portait huit pôles magnétiques plutôt que les deux habituels.

La difficulté avec ces états magnétiques d'ordre supérieur est qu'ils sont extrêmement difficiles à observer. Leur moment magnétique net s'annule fréquemment, laissant les outils expérimentaux conventionnels pratiquement aveugles à un ordre qui est pourtant présent dans le matériau depuis le début. Une équipe de physiciens quantiques de l'Université de Toronto a maintenant démontré une méthode pour détecter de tels états cachés en utilisant la lumière pour sonder les vibrations atomiques générées par le spin des électrons. L'étude, publiée dans Physical Review Letters, est décrite par ses auteurs comme une première étape cruciale vers l'exploitation du magnétisme multipolaire dans le stockage de données et le matériel informatique de nouvelle génération.

Un ordre magnétique que les instruments ordinaires ne peuvent pas voir

Le magnétisme des manuels suppose une image simple : chaque atome magnétique agit comme un minuscule aimant droit, et l'alignement collectif de ces barreaux produit les effets que nous observons. Le magnétisme multipolaire brise cette image. Au lieu d'une simple paire de pôles, la disposition des particules dans le cristal produit une signature géométrique plus compliquée — dans le cas octupolaire, une signature qui se lit comme si huit pôles étaient répartis dans la structure.

Parce que les pôles sont disposés symétriquement, leurs contributions peuvent s'annuler de manière à dissimuler l'ordre sous-jacent aux mesures magnétiques standard. Arun Paramekanti, professeur au Département de physique et au Centre for Quantum Information and Quantum Control de l'Université de Toronto, et auteur principal de ces travaux, a formulé le défi simplement : l'équipe a identifié les signatures d'un état magnétique caché qui ne peut pas être détecté à l'aide de sondes ordinaires.

Cette invisibilité est l'obstacle central dans le domaine. Un état magnétique qui ne peut pas être lu de manière fiable est un état magnétique qui ne peut pas être utilisé de manière fiable, quelles que soient les promesses de ses propriétés théoriques.

Utiliser la lumière pour écouter les phonons chiraux

Les chercheurs de Toronto ont abordé le problème de manière indirecte. Plutôt que d'essayer de mesurer l'ordre magnétique de front, ils ont projeté de la lumière sur un matériau cristallin et déclenché des vibrations minuscules au sein de sa structure atomique. Ces vibrations, ont-ils découvert, portent des informations sur des motifs magnétiques que les techniques conventionnelles manquent.

Les paquets spécifiques d'énergie vibrationnelle sur lesquels l'équipe s'est concentrée sont connus sous le nom de phonons, qui se déplacent à travers le réseau cristallin d'un solide à peu près comme une onde le long d'une corde tendue. Parmi ceux-ci, les chercheurs ont isolé les phonons chiraux : des modes vibrationnels qui ne correspondent pas à leur propre image miroir.

Pourquoi la chiralité importe

Le mot chiral vient du grec signifiant main, et l'analogie est pertinente. Une main gauche ne peut pas s'emboîter proprement sur une main droite, même si les deux sont des images miroir l'une de l'autre. Les phonons chiraux possèdent précisément ce type de chiralité, et c'est cette propriété qui semble se coupler à l'arrangement magnétique autrement invisible dans le réseau.

En observant comment la lumière interagit avec ces vibrations chirales, l'équipe a pu déduire la présence d'un ordre magnétique qui ne laisse aucune trace évidente dans une mesure conventionnelle. L'approche transforme effectivement le mouvement atomique du cristal lui-même en un capteur pour un état qui resterait autrement caché.

Vers une mémoire lecture-écriture et des dispositifs quantiques

L'attrait pratique du magnétisme d'ordre supérieur réside dans le contrôle. Si un état magnétique peut être commuté de manière fiable et relu, il peut servir de bit. Les ordres multipolaires sont des candidats attrayants parce qu'ils sont robustes face à certains types de perturbations tout en restant, en principe, commutables.

Paramekanti a noté que la recherche ouvre la possibilité d'utiliser des aimants d'ordre supérieur dans plusieurs applications, notamment des éléments de mémoire lecture-écriture contrôlables du type de ceux que l'on trouve dans les ordinateurs de tous les jours. Les pistes potentielles identifiées par l'équipe et par le domaine au sens large comprennent :

• Des cellules mémoire dont l'état magnétique est lu et écrit via des signatures optiques ou vibrationnelles plutôt que par la détection de champ conventionnelle.
• Des architectures de stockage de données qui exploitent l'ordre multipolaire pour intégrer davantage d'états distinguables dans un seul matériau.
• Des technologies quantiques qui reposent sur des états internes durables et bien protégés à l'intérieur de solides cristallins.
• Des composants informatiques dans lesquels la commutation est entraînée par des vibrations de réseau déclenchées par la lumière.

Aucune de ces applications n'est imminente. Le résultat de Toronto concerne la détection — établir qu'un ordre caché peut être observé du tout — plutôt que l'ingénierie d'un dispositif fonctionnel. Mais la détection est l'étape préalable : sans mécanisme de lecture fiable, la conception de tout élément de mémoire ou de logique fondé sur l'ordre octupolaire relèverait de la conjecture.

Questions ouvertes et perspectives

Plusieurs questions subsistent avant que le magnétisme multipolaire ne passe du laboratoire de physique à la technologie pratique. Les chercheurs devront déterminer dans quelle mesure les signatures de phonons chiraux sont robustes selon les différents matériaux et températures, à quelle vitesse un état peut être commuté sans détruire l'ordre qui le rend utile, et si la même sonde optique peut être adaptée pour écrire autant que pour lire.

La portée plus large de ces travaux est méthodologique. Pendant des années, les ordres magnétiques multipolaires ont été prédits et débattus en grande partie parce qu'ils étaient si difficiles à confirmer expérimentalement. Démontrer que la spectroscopie vibrationnelle induite par la lumière peut exposer un état octupolaire donne aux chercheurs un nouvel instrument pour tester directement ces prédictions.

Pour l'instant, le résultat tient lieu de preuve de principe émanant d'un groupe de physique quantique universitaire, publiée dans une revue à comité de lecture. Son importance réside moins dans un dispositif particulier que dans le fait qu'une forme cachée de magnétisme a été rendue visible — et une forme cachée de magnétisme, une fois visible, devient quelque chose que les ingénieurs peuvent commencer à envisager de contrôler.

Cet article est basé sur un reportage de Phys.org. Lire l'article original.