Une nouvelle voie de miniaturisation des dispositifs de traitement ultra rapide de l'information
16 Jul 2026La diffusion inélastique de neutrons polarisés sur l'instrument IN20 a permis, pour la première fois, de mettre directement en évidence des magnons de chiralités opposées dans un matériau dit "altermagnétique" ("altermagnet" en Anglais) et de démontrer que leur chiralité peut être inversée de manière réversible.
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Quantique
L'électronique actuelle repose sur la circulation de courants électriques laquelle génère d'autant plus de chaleur que le circuit est plus miniaturisé. Cela devient un obstacle majeur à la conception d'appareils plus compacts et plus puissants et les chercheurs explorent donc une autre voie pour transporter l'information : des ondes magnétiques appelées magnons, des mouvements collectifs de l'orientation du spin que portent les atomes magnétiques du matériau.
Certaines de ces ondes possèdent une chiralité définie : les spins atomiques tournent dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse lors de la propagation de l'onde. Ces « magnons chiraux » peuvent transporter une information sans circulation de charge électrique associée, donc avec moins de dégagement de chaleur.
Le challenge est double :
- trouver des matériaux où ces ondes magnétiques existent sans, pour autant, qu'ils présentent un champ magnétique externe (champ de fuite) important, susceptible de perturber les composants électroniques voisins.
- être capable de contrôler ces ondes magnétiques
C'est pourquoi les altermagnétiques — une classe de matériaux magnétiques récemment identifiée — suscitent un vif intérêt car leurs ondes magnétiques seraient à la fois ultrarapides et contrôlables, tout en ayant un magnétisme compatible avec leur incorporation à des dispositifs à haute densité d'intégration.
Grâce à la technique de diffusion inélastique de neutrons polarisés sur l'instrument IN20 de l'ILL, des chercheurs ont pu observer directement, pour la première fois, la rotation de ces ondes magnétiques au sein d'un altermagnétique et montrer qu'en le refroidissant sous un faible champ magnétique, il est même possible d'inverser ce sens de rotation.
Il s'agit de la première preuve sans équivoque que, dans un altermagnétique, les magnons chiraux peuvent non seulement exister de manière distincte, mais aussi être contrôlés ; c'est une étape importante vers la miniaturisation des dispositifs pour un traitement ultrarapide de l'information basé sur le spin, au lieu de charges électriques.
Au-delà de la charge électrique
À mesure que les dispositifs électroniques gagnent en compacité et en puissance, la chaleur qu'ils dégagent devient l'une de leurs principales limites. L'électronique conventionnelle véhicule l'information par le déplacement de charges électriques, mais une partie de l'énergie nécessaire à ce déplacement est dissipée par effet Joule et donc perdue sous forme de chaleur.
C'est pourquoi les chercheurs étudient d'autres moyens de manipuler l'information. Celle-ci peut, par exemple, être stockée sous la forme de l'orientation d'aimants minuscules appelés « spins », une propriété quantique des atomes.
Dans les matériaux magnétiques, des variations d'orientation de ces spins atomiques peuvent se propager sous forme d'ondes immatérielles appelées "magnons". Certains magnons sont chiraux : lors de la propagation de l'onde, les spins y tournent selon un sens bien défini (horaire ou anti-horaire), autrement dit, le sens de rotation de leurs spins est lié à la direction de propagation de l'onde. En se propageant dans un matériau, les magnons chiraux transportent un moment cinétique de spin, générant ce que l'on appelle un "courant de spin". Le transfert d'information est alors lié aux mouvements de spin et non à la circulation de charges électriques, donc sans dégagement de chaleur par effet Joule. Ces courants de spin sont au cœur de la spintronique, une technique visant à stocker, transmettre et traiter l'information en exploitant le spin plutôt que la seule charge électrique.
Les magnons chiraux offrent ainsi une possibilité de transmettre et de traiter des informations sur de longues distances en générant beaucoup moins de chaleur que les électroniques conventionnelles. Toutefois, pour pouvoir les utiliser dans de futurs dispositifs, les chercheurs doivent d'abord être capables de contrôler leur chiralité de manière fiable.
Magnons chiraux à chiralité droite et gauche
Figure 1. Magnons chiraux à chiralité droite et gauche. Les flèches bleues représentent les spins atomiques en précession lors de la propagation du magnon dans le matériau. Dans les modes à chiralité droite et gauche, les spins tournent dans des sens opposés et transportent par conséquent des moments cinétiques de spin opposés. Les flèches rouges indiquent la direction correspondante du courant de spin.
Les altermagnets : un nouveau type de magnétisme prometteur
Jusqu'à récemment, les magnons chiraux étaient principalement associés aux matériaux ferromagnétiques. Dans ces matériaux, les spins atomiques s'alignent tous dans la même direction, créant une aimantation résultante (un champ magnétique externe) dont l'orientation permet de stocker un bit d'information (deux orientations opposées représentant les 0 et 1). Ce phénomène brise la symétrie par renversement du temps, ce qui signifie qu'inverser tous les spins aboutit à un état magnétique réellement différent. Par conséquent, dans ces matériaux, les magnons à chiralité gauche et droite ne sont plus équivalents et leurs contributions ne s'annulent pas simplement. Cependant, l'aimantation résultante génère des champs magnétiques de fuite susceptibles de perturber les bits et composants voisins, ce qui limite la densité d'intégration des éléments ferromagnétiques.
Les matériaux antiferromagnétiques permettent d'éviter ce problème car les spins voisins sont orientés en sens opposés et s'annulent parfaitement. Ils ne produisent donc aucun champ magnétique de fuite. De plus, les interactions d'échange entre spins voisins y sont généralement plus intenses, ce qui se traduit par une vitesse de propagation des ondes magnétiques bien plus élevée. Toutefois, dans de nombreux antiferromagnétiques conventionnels, la symétrie par renversement du temps est effectivement préservée. Cela signifie qu'inverser tous les spins ne crée pas un état magnétique réellement différent, car la configuration initiale peut être retrouvée par un simple décalage ou une inversion du réseau cristallin. Les magnons gauches et droits restent donc équivalents et se compensent et, par conséquent, aucun courant de spin n'est produit.
C'est là que les matériaux altermagnétiques suscitent un vif intérêt. Récemment identifiés comme une classe distincte de matériaux magnétiques, ils semblent combiner certains avantages des ferromagnétiques et des antiferromagnétiques. Comme pour ces derniers, les spins voisins s'annulent, ce qui supprime toute aimantation globale et évite les champs de fuite intenses caractéristiques des ferromagnétiques. Toutefois, leur symétrie cristalline diffère et permet de briser la symétrie par renversement du temps : après inversion de tous les spins, la configuration magnétique initiale ne peut être retrouvée par un simple décalage ou une inversion du réseau, mais uniquement par une rotation du cristal. Cette propriété rend les magnons « gauches » et « droits » non-équivalents, leur permettant ainsi de se différencier en énergie ou en impulsion — au lieu de se compenser parfaitement— et de potentiellement générer un courant de spin utile.
La théorie prédisait que les altermagnétiques pourraient allier une dynamique magnétique ultrarapide à des champs de fuite minimes mais, jusqu'à présent, une caractéristique cruciale n'avait pas été observée expérimentalement, la chiralité de leurs magnons.
Première observation expérimentale dans un altermagnétique d'une chiralité de magnon commutable
Des magnons distincts de chiralité opposée et commutable, cela existe-t-il ? La diffusion de neutrons polarisés a permis de répondre expérimentalement à cette question pour la première fois. Une équipe de recherche internationale l'a observé directement dans le MnTe, l'archétype d'un matériau altermagnétique.
L'équipe responsable de la conduite des expériences de diffusion de neutrons IN20, de gauche à droite : Ursula Bengaard Hansen, Mechthild Enderle, Zheyuan Liu, Hodaka Kikuchi.
Neutrons are especially well suited to this kind of measurement because they carry a spin of their own, making them sensitive to magnetism inside materials. In a polarized neutron experiment, researchers prepare the incoming neutrons with a chosen spin direction and measure how strongly they scatter from the sample. By comparing scattering intensities for opposite neutron spin directions, they can isolate the chiral part of the magnon signal, the part that reveals whether the magnons have a preferred rotation direction.
Full neutron polarisation analysis on IN20 at the ILL provided both the direct observation and the crucial demonstration of control. The measurements clearly resolved two separate magnon modes with opposite chirality. After cooling the material in small magnetic fields pointing in opposite directions, the researchers observed that the chiral signal of both modes reversed. This showed that the chirality of the magnon modes can be reversibly switched by magnetic field control.
Figure 2. Commutation réversible de la chiralité des magnons d'un matériau altermagnétique. Après refroidissement de l'échantillon sous de faibles champs magnétiques opposés (+4,2 mT (jaune) et −4,2 mT (vert)), les mesures par neutrons polarisés réalisées sur l'instrument IN20 montrent que le signal chiral est présent. En outre, l'inversion de ce champ magnétique pendant le refroidissement inverse le signe du signal pour les deux modes de magnons, démontrant ainsi qu'il est possible de basculer leur chiralité entre des états « gauche » et « droite ».
Une nouvelle voie pour le transport d'informations
Ces résultats confirment une prédiction théorique clé : les altermagnétiques peuvent héberger des modes de magnons chiraux distincts, capables de générer des courants de spin de magnons utilisables, sans l'aimantation nette importante associée aux ferromagnétiques.
Tout aussi importante est la démonstration que cette chiralité peut être manipulée. En inversant le champ magnétique appliqué lors du refroidissement, les chercheurs ont pu inverser la chiralité des modes de magnons. Cela signifie que les altermagnétiques [i] offrent non seulement des magnons dotés d'une chiralité définie, mais aussi un moyen de la contrôler, donc d'inverser la direction du courant de spin.
Cet aspect est crucial, car le contrôle est indispensable pour utiliser les magnons dans le transport ou le traitement de l'information. Dans les ferromagnétiques, un tel contrôle s'accompagne de l'inconvénient des champs magnétiques de fuite. Les altermagnétiques proposent une autre voie : des magnons chiraux ultrarapides et contrôlables au sein de matériaux dépourvus d'aimantation nette.
Ces travaux posent une base expérimentale importante pour les futures technologies de magnonique et de spintronique à base de matériaux altermagnétiques.
Référence
Z. Liu, H. Kikuchi, Z. Wei, S. Asai, M. Enderle, U. B. Hansen, V. O. Garlea, M. D. Le, G. J. Nilsen, I. A. Zaliznyak and T. Masuda, “Observation of Switchable Chiral Magnons in an Altermagnet,” Physical Review Letters 136, 236705 (2026). DOI: 10.1103/m8lc-f8gk
Instrument de l'ILL: IN20
Contact à l'ILL : Mechthild Enderle
Institutions participants à cette recherche : The University of Tokyo, Oak Ridge National Laboratory, ISIS Neutron and Muon Source, Brookhaven National Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization