Un capteur quantique en diamant pour détecter les altermagnets

Des chercheurs ont développé un capteur quantique utilisant des diamants, capable de détecter les altermagnets, une catégorie récemment découverte de matériaux magnétiques présentant des caractéristiques particulières.

Depuis près d’un siècle, la science reconnaissait uniquement deux types fondamentaux d’aimants. Aujourd’hui, les altermagnets, une classe émergente, représentent une avancée majeure en physique, avec un potentiel pour rendre les appareils électroniques plus rapides et beaucoup moins gourmands en énergie.

Les scientifiques de l’Université de Buffalo ont proposé une méthode quantique innovante pour faciliter l’identification de ces matériaux difficiles à détecter. Leur approche théorique exploite de minuscules défauts dans le diamant afin de capter le comportement magnétique distinctif des altermagnets.

Cette étude a été publiée dans la revue Physical Review Letters.

Un capteur quantique basé sur le diamant

La technique consiste à placer un matériau suspecté d’être altermagnétique à proximité d’un diamant contenant un défaut magnétique extrêmement sensible. En surveillant la manière dont le signal magnétique de ce défaut se détend dans le temps, les chercheurs pourraient révéler la signature magnétique propre aux altermagnets.

« Cela pourrait constituer la première étape d’une nouvelle génération d’expériences visant à déterminer si un matériau est un altermagnet », explique Jamir Marino, PhD, professeur assistant au département de physique de l’Université de Buffalo. « Ces matériaux pourraient révolutionner le transport de l’information, mais pour valider cette théorie élégante, il faut des expériences capables d’identifier les altermagnets et de confirmer leur comportement prévu. »

Marino a collaboré avec Libor Šmejkal et Jairo Sinova de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence, les physiciens à l’origine du concept d’altermagnétisme.

« Cette technique de détection pourrait devenir un outil essentiel pour explorer les matériaux candidats altermagnétiques », souligne Jairo Sinova. « Elle présente des avantages par rapport aux méthodes expérimentales classiques, en détectant des motifs magnétiques directionnels subtils dans différentes zones d’un matériau sans le perturber significativement. »

Les spécificités des altermagnets

Les ferromagnets traditionnels, comme les aimants de réfrigérateur, alignent les spins électroniques dans la même direction, générant un champ magnétique contrôlable. Leur capacité à basculer entre différents états les rend essentiels pour la mémoire informatique.

À l’inverse, les antiferromagnets organisent les spins voisins en directions opposées, annulant leur magnétisme global. Leur manipulation est plus complexe, mais ils peuvent changer d’état beaucoup plus rapidement, ce qui les rend prometteurs pour les technologies électroniques futures.

Les altermagnets combinent ces deux propriétés. Bien qu’ils n’aient pas de magnétisation globale comme les antiferromagnets, leur structure cristalline induit un comportement électronique proche de celui des ferromagnets. Cette combinaison pourrait permettre un traitement et un transport de l’information plus rapides tout en consommant moins d’énergie.

« Cette organisation permet aux altermagnets d’allier la rapidité de commutation des antiferromagnets à certaines propriétés électroniques plus facilement contrôlables des ferromagnets », précise Marino.

Une découverte née d’une observation inattendue

Le concept d’altermagnétisme a émergé en 2019, lorsque des chercheurs de Mayence ont observé un comportement inexplicable par les deux classes d’aimants connues. Leurs calculs indiquaient que le dioxyde de ruthénium ne devait pas présenter de magnétisation globale, comme un antiferromagnet, mais sous courant électrique, il agissait comme un ferromagnet.

Ce résultat surprenant a conduit à la proposition d’une nouvelle catégorie de matériaux magnétiques.

Depuis, plusieurs études expérimentales ont détecté des signes d’altermagnétisme dans divers matériaux. Les prédictions théoriques estiment que plus de 200 matériaux pourraient appartenir à cette classe, soit plus du double des ferromagnets connus à ce jour.

L’utilité des diamants dans cette recherche

Pour accélérer la recherche, l’équipe de Marino a conçu un système de détection quantique reposant sur un défaut spécifique dans un diamant. Ce défaut apparaît lorsqu’un atome de carbone est remplacé par un atome d’azote et qu’un atome de carbone voisin est absent. Ces imperfections sont très sensibles aux activités magnétiques proches.

Les chercheurs feraient tourner le spin magnétique du défaut dans plusieurs directions et mesureraient la vitesse de sa relaxation. Une variation de ce taux selon la direction indiquerait la présence des motifs magnétiques complexes attendus pour les altermagnets.

Un avantage majeur de cette méthode est qu’elle perturberait beaucoup moins le matériau que les techniques expérimentales actuelles.

« Il est important que la mesure n’altère pas fortement le matériau étudié, car cela rendrait difficile la distinction entre le comportement naturel du matériau et celui induit par l’expérience », explique Marino.

Une idée prometteuse à valider

Ce système de détection est pour l’instant une proposition théorique basée sur des simulations quantiques avancées. Des expériences en laboratoire seront nécessaires pour vérifier sa capacité à identifier de manière fiable les altermagnets dans des matériaux réels.

Les chercheurs estiment néanmoins que cet outil pourrait jouer un rôle clé pour faire passer les altermagnets de la théorie à des applications technologiques concrètes.

« Identifier efficacement les matériaux altermagnétiques est une étape cruciale pour pouvoir un jour les utiliser en électronique », conclut Marino. « Les altermagnets rendraient le transport de l’information beaucoup plus efficace, ce qui permettrait de miniaturiser les technologies tout en réduisant leur consommation d’énergie. »

Référence : « Quantum Impurity Sensing of Altermagnetic Order » par V. A. S. V. Bittencourt, Hossein Hosseinabadi, Jairo Sinova, Libor Šmejkal et Jamir Marino, 8 avril 2026, Physical Review Letters. DOI : 10.1103/2ppn-kvjv

Les coauteurs comprennent également Hossein Hosseinabadi, PhD, ancien membre du laboratoire de Marino et actuellement chercheur postdoctoral indépendant au Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems en Allemagne, ainsi que V.A.S.V. Bittencourt de l’Université de Strasbourg/Max Planck Institute for the Science of Light.

Cette recherche a été financée par la Fondation allemande pour la recherche.