« La raison même pour laquelle nous avons du magnétisme dans notre vie quotidienne est la force des interactions d’échange d’électrons », a déclaré Ataç İmamoğlu, co-auteur de l’étude et également physicien à l’Institut d’électronique quantique.
Cependant, comme l’a théorisé Nagaoka dans les années 1960, les interactions d’échange ne sont peut-être pas le seul moyen de rendre un matériau magnétique. Nagaoka a imaginé un réseau carré bidimensionnel où chaque site du réseau n’avait qu’un seul électron. Ensuite, il a compris ce qui se passerait si l’on supprimait l’un de ces électrons dans certaines conditions. Au fur et à mesure que les électrons restants du réseau interagissaient, le trou où se trouvait l’électron manquant se déplaçait autour du réseau.
Dans le scénario de Nagaoka, l’énergie globale du réseau serait à son niveau le plus bas lorsque ses spins électroniques seraient tous alignés. Chaque configuration électronique se ressemblerait, comme si les électrons étaient des tuiles identiques dans le puzzle de tuiles coulissantes le plus ennuyeux au monde. Ces spins parallèles rendraient à leur tour le matériau ferromagnétique.
Quand deux grilles avec une torsion font exister un motif
İmamoğlu et ses collègues avaient l’idée qu’ils pourraient créer le magnétisme de Nagaoka en expérimentant avec des feuilles d’atomes monocouches qui pourraient être empilées ensemble pour former un motif de moiré complexe (prononcé mwah-ray). Dans les matériaux en couches atomiquement minces, les motifs de moiré peuvent radicalement modifier le comportement des électrons – et donc des matériaux. Par exemple, en 2018, le physicien Pablo Jarillo-Herrero et ses collègues ont démontré que des empilements de graphène à deux couches acquéraient la capacité de supraconduction lorsqu’ils décalaient les deux couches par une torsion.
Les matériaux moirés sont depuis apparus comme un nouveau système convaincant pour étudier le magnétisme, intégrés aux côtés de nuages d’atomes surfondus et de matériaux complexes tels que les cuprates. « Les matériaux moirés nous fournissent un terrain de jeu pour, fondamentalement, synthétiser et étudier les états des électrons à plusieurs corps », a déclaré İmamoğlu.
Les chercheurs ont commencé par synthétiser un matériau à partir de monocouches de diséléniure de molybdène et de disulfure de tungstène semi-conducteurs, qui appartiennent à une classe de matériaux qui, selon les simulations précédentes, pourraient présenter un magnétisme de type Nagaoka. Ils ont ensuite appliqué de faibles champs magnétiques de différentes intensités au matériau moiré tout en suivant le nombre de spins électroniques du matériau alignés avec les champs.
Les chercheurs ont ensuite répété ces mesures tout en appliquant différentes tensions aux bornes du matériau, ce qui a modifié le nombre d’électrons présents dans le réseau moiré. Ils ont trouvé quelque chose d’étrange. Le matériau était plus enclin à s’aligner sur un champ magnétique externe, c’est-à-dire à se comporter de manière plus ferromagnétique, uniquement lorsqu’il contenait jusqu’à 50 % d’électrons en plus que les sites du réseau. Et lorsque le réseau contenait moins d’électrons que les sites du réseau, les chercheurs n’ont vu aucun signe de ferromagnétisme. C’était le contraire de ce à quoi ils se seraient attendus si le ferromagnétisme standard de Nagaoka avait été à l’œuvre.
Même si le matériau était magnétisé, les interactions d’échange ne semblaient pas le stimuler. Mais les versions les plus simples de la théorie de Nagaoka n’expliquaient pas non plus complètement ses propriétés magnétiques.
Quand vos affaires sont magnétisées et que vous êtes quelque peu surpris
En fin de compte, c’était une question de mouvement. Les électrons diminuent leur énergie cinétique en se propageant dans l’espace, ce qui peut provoquer le chevauchement de la fonction d’onde décrivant l’état quantique d’un électron avec celle de ses voisins, liant ainsi leur destin. Dans le matériel de l’équipe, une fois qu’il y avait plus d’électrons dans le réseau moiré que de sites de réseau, l’énergie du matériau diminuait lorsque les électrons supplémentaires se délocalisaient comme du brouillard pompé sur une scène de Broadway. Ils se sont ensuite brièvement associés aux électrons du réseau pour former des combinaisons de deux électrons appelées doublons.
Ces électrons supplémentaires itinérants, et les doublons qu’ils formaient, ne pouvaient pas se délocaliser et se propager dans le réseau à moins que les électrons des sites environnants du réseau n’aient tous des spins alignés. Alors que le matériau poursuivait sans relâche son état d’énergie la plus basse, le résultat final était que les doublons avaient tendance à créer de petites régions ferromagnétiques localisées. Jusqu’à un certain seuil, plus il y a de doublons parcourant un réseau, plus le matériau devient ferromagnétique.