Identifier les défauts topologiques par leur signature dynamique

Dans de nombreux réseaux, les contraintes topologiques empêchent le système d’atteindre en tout point une configuration optimale. On parle alors de système « frustré », car certaines régions ne peuvent pas atteindre des configurations d’énergie minimale et se retrouvent dans des configurations énergiquement plus élevées que d’autres. Jusqu’à maintenant, l’étude de la dynamique de ces systèmes était limitée à la formation et la mobilité des défauts, mais leur propriétés résonantes de haute fréquence n’étaient pas encore identifiées. Une équipe de physiciens de l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg - IPCMS (CNRS / Univ. Strasbourg), de l’Argonne National Laboratory (Etats-Unis), du Max Planck Institute of Microstructure Physics (Allemagne), du Peter Grünberg Institut (Allemagne) et de la Northwestern University (Etats-Unis), ont étudié la dynamique haute fréquence d’un tel système composé de nanoaimants de forme allongée placés sur un réseau régulier (voir figure ci-dessous). Leurs simulations numériques montrent que le spectre des vibrations de ce réseau permet de déterminer le nombre et la nature des défauts présents. Ce travail, publié dans la revue Physical Review Letters, devrait grandement faciliter la détection expérimentale de ces défauts dans une glace de spin artificielle.

Dans certaines formes de glace, la géométrie des molécules d’eau et des liaisons qu’elles ont entre elles interdisent la formation d’un cristal parfaitement régulier. C’est cette analogie qui est à l’origine de la dénomination « glaces de spin » donnée à des structures magnétiques frustrées. L’interaction magnétostatique entre des nanoaimants allongés et placés sur un réseau favorise des structures qui généralement ne sont pas compatibles avec l’axe défini par leur orientation, ce qui peut créer des régions frustrées. Dans les réseaux de type « stade », les aimants sont alignés avec les arêtes d’un réseau plan carré. L’énergie d’interaction à un sommet de ce réseau est minimale lorsqu’il y a deux pôles Nord (N) et deux pôles Sud (S). Un défaut apparait lorsqu’il y a plus de pôles d’un type : 3N-1S de charge magnétique +2 ou 3S-1N de charge magnétique −2. Ces défauts topologiques sont nommés monopoles magnétiques, car ils ont une charge magnétique. Ils existent par paires de charge totale nulle et une chaine d’aimants nommée « corde de Dirac » relie chaque paire. Les physiciens ont simulé l’évolution de ce système avec un logiciel de calcul micromagnétique. Ils ont observé les vibrations de ces monopoles et des cordes qui les relient et déterminé les spectres spécifiques. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles techniques pour détecter et contrôler les défauts magnétiques dans de tels systèmes.

Oscillations des nano-aimants dans un réseau de glace de spin artificiel. Les deux monopoles magnétiques effectifs, MP+ et MP-, sont connectés par une chaîne de nano-aimants formant une « corde de Dirac », soulignée en jaune. Le mode oscillatoire des nano-aimants dans cette corde se distingue clairement par rapport à la fréquence typique du reste du réseau. Ceci devrait permettre une détection expérimentale des cordes de Dirac et des monopoles magnétiques dans une glace de spin artificielle.