Résumé :
Le dioxyde de ruthénium, autrefois généralement considéré comme une substance non magnétique par la communauté scientifique, présente un nouvel état magnétique auparavant caché lorsqu'il est aminci jusqu'à atteindre une épaisseur de plusieurs couches atomiques et soumis à des contraintes. Une équipe de recherche dirigée par Ming Yi, physicien à l'Université Rice aux États-Unis et composée de l'Université du Minnesota et de l'Institut Paul Scherr en Suisse, a récemment publié une étude dans la revue académique internationale Science Advances, confirmant pour la première fois que les films ultra-minces de dioxyde de ruthénium présentent un comportement émergent de « magnétisme alternatif », ouvrant de nouvelles voies pour développer des dispositifs de stockage informatique de nouvelle génération, plus petits en taille et plus économes en énergie.
Le magnétisme alternatif est un nouveau type d'aimant proposé ces dernières années dans la communauté de la physique théorique, qui combine les principaux avantages des ferromagnétiques et des antiferromagnétiques. En tant que l’un des premiers matériaux quantiques dont on prévoit théoriquement des propriétés magnétiques alternées, le dioxyde de ruthénium (RuO2) a longtemps été controversé dans les cercles universitaires. Plusieurs expériences antérieures ont montré que les matériaux en vrac constitués de dioxyde de ruthénium ne présentent aucun magnétisme macroscopique détectable, et la communauté scientifique est parvenue à un consensus sur le fait que ces matériaux en vrac ne sont pas magnétiques. Cependant, l'équipe de recherche multinationale a découvert que la compression des dimensions du matériau pourrait être un élément clé dans l'activation de son potentiel magnétique.
Afin d'explorer le comportement magnétique microscopique à l'échelle atomique, les chercheurs ont préparé un film ultra-mince de dioxyde de ruthénium avec une épaisseur de seulement quelques couches atomiques et ont utilisé la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire (Spin-ARPES) pour mesurer avec précision sa texture de spin électronique. Les résultats expérimentaux sont très cohérents avec le modèle de calcul théorique, montrant clairement que le dioxyde de ruthénium testé présente un arrangement de spin électronique cohérent avec des caractéristiques magnétiques non conventionnelles, indiquant que dans des conditions externes spécifiques, le dioxyde de ruthénium ultra-mince et massif ont des propriétés magnétiques complètement différentes.
L'analyse expérimentale a montré que la déformation du réseau (Lattice Strain) a joué un rôle décisif dans l'émergence de cet étrange magnétisme. Lorsqu'un film ultrafin est développé sur un substrat spécifique, tel que le dioxyde de titane, la contrainte exercée sur le réseau remodèle sa structure électronique microscopique, induisant un modèle de spin hautement cohérent avec le magnétisme alternatif ; ce phénomène magnétique n'existe plus lorsque la contrainte est retirée ou à l'état massif natif. Yichen Zhang, le premier auteur de l'étude, a déclaré que les caractéristiques dépendant de la contrainte signifient que la contrainte du réseau devrait servir de « bouton » de régulation pour l'induction directionnelle et le contrôle des états magnétiques alternés, ce qui a une valeur d'application importante pour la conception de dispositifs spintroniques de nouvelle génération et de nouvelles architectures de mémoire vive (RAM).
Cette recherche repousse non seulement les limites cognitives de la physique fondamentale des matériaux quantiques, mais fournit également un paradigme expérimental réalisable pour utiliser l'ingénierie des contraintes épitaxiales afin de contrôler les états quantiques de basse dimension. En contrôlant avec précision les contraintes mécaniques à l'échelle nanométrique, les chercheurs pourraient à l'avenir être en mesure de contrôler de manière plus flexible les degrés de liberté du spin des électrons, favorisant ainsi de nouvelles percées dans la technologie de stockage d'informations à faible consommation et à ultra haute densité.
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