Le vide dans la cavité optique peut modifier l’état magnétique du matériau sans excitation laser

Des chercheurs allemands et américains ont produit la première démonstration théorique que l’état magnétique d’un matériau atomiquement mince, l’α-RuCl₃, peut être contrôlé uniquement en le plaçant dans une cavité optique. Fondamentalement, les fluctuations du vide dans la cavité suffisent à elles seules à modifier l’ordre magnétique du matériau, passant d’un antiferromagnétique en zigzag à un ferromagnétique. Les travaux de l’équipe ont été publiés dans Matériaux informatiques npj.

Un thème récent de la recherche en physique des matériaux est l’utilisation d’une lumière laser intense pour modifier les propriétés des matériaux magnétiques. En concevant soigneusement les propriétés de la lumière laser, les chercheurs ont pu modifier radicalement la conductivité électrique et les propriétés optiques de différents matériaux.

Cependant, cela nécessite une stimulation continue par des lasers de haute intensité et est associé à certains problèmes pratiques, notamment la difficulté d’empêcher le matériau de chauffer. Les chercheurs recherchent donc des moyens d’obtenir un contrôle similaire sur les matériaux en utilisant la lumière, mais sans recourir à des lasers intenses.

Aujourd’hui, les théoriciens de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg, en Allemagne, de l’Université de Stanford et de l’Université de Pennsylvanie (toutes deux aux États-Unis) ont mis au point une approche fondamentalement différente pour modifier les propriétés magnétiques d’un matériau réel. dans une cavité, sans utiliser de lumière laser. Leur collaboration montre que la cavité seule suffit à faire tourner l’antiferromagnétique en zigzag α-RuCl₃ dans un ferromagnétique.

Surtout, l’équipe démontre que même dans une cavité apparemment sombre, l’α-RuCl₃ détecte les modifications de l’environnement électromagnétique et change son état magnétique en conséquence. Il s’agit d’un effet purement mécanique quantique, résultant du fait que dans la théorie quantique, la cavité vide (techniquement appelée état de vide) n’est jamais vraiment vide. Au lieu de cela, le champ lumineux fluctue de sorte que des particules lumineuses apparaissent et disparaissent, ce qui, à son tour, affecte les propriétés du matériau.

“La cavité optique confine le champ électromagnétique à un très petit volume, améliorant ainsi le couplage efficace entre la lumière et le matériau”, explique l’auteur principal Emil Viñas Boström, chercheur postdoctoral au sein du groupe de théorie MPSD. “Nos résultats montrent qu’une ingénierie minutieuse des fluctuations du vide du champ électrique de la cavité peut entraîner des changements drastiques dans les propriétés magnétiques d’un matériau.” Comme aucune excitation lumineuse n’est nécessaire, cette approche évite en principe les problèmes associés à la commande laser continue.

Il s’agit du premier travail démontrant un tel contrôle de cavité sur le magnétisme dans un matériau réel, et fait suite à des recherches antérieures sur le contrôle de cavité de matériaux ferroélectriques et supraconducteurs. Les chercheurs espèrent que la conception de cavités spécifiques les aidera à réaliser de nouvelles phases insaisissables de la matière et à mieux comprendre l’interaction délicate entre la lumière et la matière.