Des chercheurs de la Florida State University ont créé un nouveau matériau cristallin qui présente des comportements magnétiques tourbillonnants complexes absents de ses composés parents. En mélangeant deux matériaux structurellement incompatibles mais chimiquement similaires, l'équipe a induit des spins atomiques à former des textures de type skyrmion. Cette avancée, détaillée dans le Journal of the American Chemical Society, pourrait faire progresser le stockage de données et les technologies quantiques.
Des scientifiques de la Florida State University ont développé un nouveau matériau cristallin en combinant deux composés : l'un composé de manganèse, cobalt et germanium, et l'autre de manganèse, cobalt et arsenic. Ces éléments sont adjacents dans le tableau périodique, rendant les composés chimiquement similaires mais structurellement distincts en raison de symétries cristallines différentes. Cette incompatibilité entraîne une frustration structurale, où les arrangements atomiques entrent en compétition, empêchant un motif stable simple. Le cristal hybride résultant montre des spins atomiques s'organisant en motifs de tourbillon intricats et répétés connus sous le nom de textures de spin de type skyrmion, plutôt que les alignements linéaires habituels des aimants conventionnels. « Nous pensions que cette frustration structurale se traduirait peut-être par une frustration magnétique », a expliqué le co-auteur Michael Shatruk, professeur au Département de chimie et de biochimie de la FSU. « Si les structures sont en compétition, cela pourrait faire tordre les spins. » Pour confirmer la structure magnétique, les chercheurs ont utilisé la diffraction de neutrons sur monocristal avec l'instrument TOPAZ à la Spallation Neutron Source du Oak Ridge National Laboratory. Cette technique a révélé les arrangements de spins cyclodaux. Les résultats ont été publiés dans le Journal of the American Chemical Society en 2025 (volume 147, numéro 47, page 43550). Ces textures de type skyrmion offrent des avantages pour la technologie, y compris un stockage de données plus dense dans les disques durs, une consommation d'énergie moindre dans l'électronique et des systèmes d'informatique quantique plus fiables résistants aux erreurs. « Avec les données de diffraction de neutrons sur monocristal de TOPAZ et les nouveaux outils de réduction de données et d'apprentissage automatique de notre projet LDRD, nous pouvons maintenant résoudre des structures magnétiques très complexes avec une bien plus grande confiance », a noté Xiaoping Wang, scientifique en diffusion de neutrons à Oak Ridge. Contrairement aux approches passées qui criblaient des matériaux existants, ce travail a conçu le cristal intentionnellement en utilisant des principes chimiques pour prédire les comportements des spins. « C'est une pensée chimique, car nous pensons à la façon dont l'équilibre entre ces structures les affecte et leur relation, et comment cela pourrait se traduire dans la relation entre les spins atomiques », a déclaré Shatruk. Le co-auteur Ian Campbell, étudiant de troisième cycle, a ajouté : « L'idée est de pouvoir prédire où ces textures de spin complexes apparaîtront. » L'étude a impliqué des collaborateurs de l'European Synchrotron Radiation Facility, de l'Université de science et technologie de Pékin, de la RWTH Aachen University et d'Oak Ridge, soutenue par la National Science Foundation.
