Lumière magnétique dans un cristal express
Le cristal Mn₂Mo₃O₈ ressemble à une minuscule ville où les atomes de manganèse sont alignés dans un ordre strict : leurs moments magnétiques (petites flèches internes) pointent alternativement vers le haut et vers le bas. Cet état est appelé altermagnétisme colinéaire. Lorsqu'un tel cristal est irradié par la lumière, les atomes se mettent à vibrer, et les fréquences de ces vibrations révèlent la structure du matériau.
Les physiciens ont utilisé deux méthodes : la diffusion Raman (la lumière change de couleur en heurtant les atomes) et la spectroscopie térahertz (rayonnement dont la fréquence se situe entre l'infrarouge et les micro-ondes). Pour la première fois, ils ont réussi à enregistrer clairement tous les types de vibrations, y compris celles qui échappaient auparavant à l'observation. À température ambiante, le cristal n'est pas magnétique, mais dès qu'on le refroidit en dessous d'un certain point, un ordre magnétique apparaît. Alors, dans le rayonnement térahertz, une large bande se manifeste, qui absorbe différemment la lumière à polarisation circulaire gauche et droite (sens de rotation de l'onde). Ce phénomène — le dichroïsme circulaire magnétique — indique que la lumière interagit avec les vibrations collectives des moments magnétiques.
La division attendue des vibrations en deux branches polarisées ne s'est pas produite. La cause probable est la faible interaction entre les spins (flèches magnétiques) et le mouvement orbital des électrons des ions manganèse. En revanche, lorsqu'on applique un champ magnétique externe de 4 teslas (environ 100 000 fois plus fort que le champ magnétique terrestre), les moments magnétiques se réorganisent et le nouveau signal disparaît. Les scientifiques ont ainsi confirmé qu'il est bien lié à l'ordre magnétique.
Cette recherche ajoute une pièce importante à la compréhension des altermagnets — des matériaux où les moments magnétiques sont compensés, mais où la symétrie de la structure crée des propriétés électroniques inhabituelles. De tels cristaux pourraient être utiles en spintronique — une électronique qui utilise non seulement la charge, mais aussi le spin des électrons.
Le rayonnement térahertz utilisé dans l'expérience se situe entre la lumière infrarouge et les micro-ondes. Il peut « voir » à travers les vêtements et les emballages, c'est pourquoi il est utilisé dans les scanners de sécurité des aéroports.