Des chercheurs dévoilent pour la première fois la nature dynamique des monopôles magnétiques émergents dans de vrais aimants

Les monopôles magnétiques sont des particules élémentaires possédant des charges magnétiques isolées en trois dimensions. En d’autres termes, ils se comportent comme les pôles nord ou sud isolés d’un aimant. Les monopôles magnétiques suscitent un intérêt constant dans la recherche depuis la première proposition du physicien Paul Dirac en 1931. Cependant, de véritables monopôles magnétiques n'ont pas encore été observés et leur existence reste une question ouverte. D’autre part, les scientifiques ont découvert des quasi-particules qui se comportent mathématiquement comme des monopôles magnétiques dans les systèmes de matière condensée, donnant lieu à des phénomènes intéressants.

Récemment, des chercheurs ont découvert qu'un matériau appelé germanure de manganèse (MnGe) possède une structure périodique unique, formée de configurations magnétiques spéciales appelées hérissons et anti-hérissons, appelées réseau magnétique en hérisson.

Dans ces configurations spéciales, les moments magnétiques pointent radialement vers l’extérieur (hérisson) ou vers l’intérieur (antihérisson), ressemblant aux épines d’un hérisson. Ces hérissons et antihérissons agissent comme des monopôles et antimonopoles magnétiques, servant de sources ou de puits de champs magnétiques émergents.

MnGe présente ce que l'on appelle un réseau hérisson triple-Q. Cependant, des expériences récentes ont montré que la substitution du Ge par Si (MnSi_{1 fois}Ge_X) transforme l'arrangement en réseau hérisson quadruple-Q (4Q-HL).

Ce nouvel arrangement, également trouvé dans la ferrite pérovskite SrFeO₃, constitue une voie prometteuse pour étudier et contrôler les propriétés des réseaux hérisson. De plus, ces monopôles magnétiques peuvent également induire des champs électriques en se déplaçant selon les lois de l'électromagnétisme de Maxwell. Pour comprendre les nouveaux phénomènes physiques qui en résultent, il est essentiel d’étudier les excitations inhérentes aux réseaux hérisson.

Dans une étude récente, le professeur Masahito Mochizuki et le Ph.D. Rintaro Eto, étudiant du cours, tous deux du Département de physique appliquée de l'Université Waseda, a étudié théoriquement les modes d'excitation collective des 4Q-HL dans MnSi_{1 fois}Ge_X et SrFeO₃. Leur étude a été publiée dans la revue Lettres d'examen physique le 31 mai 2024.

“Notre recherche a clarifié pour la première fois la nature dynamique inconnue des monopôles magnétiques émergents dans les matériaux magnétiques. Cela peut inspirer de futures expériences sur les matériaux hébergeant des hérissons avec des applications dans les appareils électroniques et pour relier la physique des particules et la physique de la matière condensée”, explique Mochizuki.

En utilisant le modèle tridimensionnel de réseau Kondo, les chercheurs ont reproduit les deux 4Q-HL distincts trouvés dans MnSi_{1 fois}Ge_X et SrFeO₃ et analysé leurs propriétés dynamiques. Ils ont découvert que les 4Q-HL possèdent des modes d’excitation collective associés à l’oscillation des cordes de Dirac.

Une corde de Dirac est un concept théorique en mécanique quantique qui décrit une corde qui relie un monopôle magnétique et un antimonopole magnétique, en l'occurrence un hérisson et un anti-hérisson.

Les chercheurs ont découvert que le nombre de ces modes d'excitation dépend du nombre et de la configuration des cordes de Dirac, offrant ainsi un moyen de déterminer expérimentalement la configuration spatiale des hérissons et des anti-hérissons ainsi que leur topologie unique dans de vrais aimants tels que MnSi._{1 fois}Ge_X et SrFeO₃.

Cette découverte offre également un aperçu de la dynamique des réseaux hérisson dans d’autres aimants. De plus, cette découverte nous permet d'activer et de désactiver les modes d'excitation en contrôlant la présence ou l'absence des cordes de Dirac avec un champ magnétique externe.

Expliquant l'importance de leurs résultats, Eto a déclaré : « Les modes d'excitation de spin collectifs révélés dans l'étude sont des excitations élémentaires qui reflètent directement la présence (ou l'absence) de monopôles magnétiques émergents. Ainsi, nos résultats constitueront une ligne directrice fondamentale pour une étude plus détaillée. nature dynamique des monopôles émergents dans les matériaux magnétiques à l'avenir.

“De plus, ils pourraient devenir les éléments constitutifs de nouveaux dispositifs spintroniques commutables sur le terrain, tels que des générateurs d'énergie de taille nanométrique, des convertisseurs lumière-tension et des filtres lumière/micro-ondes basés sur l'électromagnétisme émergent.”

Ces découvertes pourraient ouvrir de nouvelles voies de recherche en physique fondamentale et conduire au développement de nouvelles technologies impliquant les monopôles magnétiques émergents dans les aimants.