UN NOUVEAU TYPE D'AIMANT FONCTIONNE À TEMPÉRATURE AMBIANTE
Les électrons portent une charge, mais aussi un spin, un minuscule aimant intégré qui pointe « vers le haut » ou « vers le bas ». La spintronique veut utiliser ce spin pour stocker et traiter l’information. Ces dernières années, les physiciens ont trouvé des matériaux magnétiques à la propriété frappante : ils n’ont aucune aimantation globale, et pourtant l’énergie de leurs électrons dépend de leur spin, d’une manière qui change avec la direction de leur mouvement. Ce « dédoublement de spin » ne repose pas sur des effets relativistes, ce qui le rend important.
Dans certains de ces matériaux, appelés altermagnets, le motif est symétrique : un électron qui va dans un sens et un autre qui va dans le sens opposé voient le même spin. Dans les aimants « p », c’est l’inverse : inversez le sens du mouvement, et le spin s’inverse aussi. Jusqu’ici, les aimants p signalés ne fonctionnaient que sous la température de l’azote liquide.
Une spirale cachée dans un cristal familier
Kaiwen Shen, Xianzhe Chen, Libor Šmejkal et leurs collègues de l’université Fudan à Shanghai, de deux instituts Max-Planck à Dresde et d’autres établissements en Chine et en République tchèque se sont tournés vers le ferrite de bismuth (BiFeO₃). C’est l’un des « multiferroïques » les plus étudiés, des matériaux à la fois magnétiques et ferroélectriques — ils portent une polarisation électrique intégrée. Il reste ordonné magnétiquement jusqu’à environ 640 kelvins (bien au-dessus de la température ambiante) et ferroélectrique jusqu’à 1 100 kelvins.
À l’intérieur, les moments magnétiques des atomes de fer ne sont pas alignés : ils tournent pas à pas le long d’une spirale, appelée cycloïde. L’équipe montre que cette spirale produit à elle seule un magnétisme p — un mécanisme qu’elle qualifie de négligé jusqu’ici.
La théorie, puis un laser
- Les calculs des électrons du cristal montrent un motif de spin p bien net, avec un dédoublement de spin d’environ 100 millièmes d’électronvolt. Ajouter les effets relativistes ne le change presque pas : l’effet vient de l’ordre magnétique lui-même.
- Quand la spirale tourne dans l’autre sens — gauche au lieu de droite —, le motif de spin s’inverse.
- Au laboratoire, ils ont fait croître un film de 100 nanomètres de ferrite de bismuth et imagé sa spirale magnétique avec un capteur quantique à pointe de diamant.
- Pour lire les spins, ils ont éclairé le film avec un laser à polarisation circulaire. Une lumière qui tourne dans un sens excite davantage les électrons d’un spin que de l’autre, ce qui produit un petit courant électrique dont le signe suit la direction du spin. En faisant tourner l’échantillon, ils ont vu ce courant culminer exactement dans la direction prévue pour la polarisation de spin p. Toutes ces mesures ont été faites à température ambiante, à l’air libre.
Retourner les spins avec une tension
Le point clé : dans le ferrite de bismuth, le sens de la spirale est verrouillé à la polarisation électrique. Inversez l’une, l’autre suit.
L’équipe a appliqué au film des impulsions électriques d’environ 300 kilovolts par centimètre. La polarisation a tourné, la spirale a changé de sens, et le courant induit par le laser a changé de signe : positif après une impulsion, négatif après l’impulsion opposée. Tracé en fonction du champ appliqué, ce courant dessine une boucle d’hystérésis calquée sur le basculement de la polarisation du cristal. Le changement est réversible et persiste après l’impulsion.
Des impulsions électriques retournent la polarisation et le sens de la spirale (a) ; le dispositif (b) ; le courant de spin change de signe (c) et suit une boucle d’hystérésis en fonction du champ électrique (d). — Figure 3, Shen et al. (2026), arXiv:2610.12892.
Du grand froid au bureau
Les auteurs présentent leur résultat comme un aimant à dédoublement de spin de parité impaire commandé par une tension à température ambiante, et y voient une voie vers des composants spintroniques économes en énergie. Les résultats viennent de films minces en laboratoire ; aucun dispositif allant au-delà du basculement du signal mesuré n’est encore démontré.