Les neutrons polarisés révèlent l’altermagnétisme du fluorure de manganèse MnF₂

A) Structure cristalline et magnétique de MnF₂ : les ions Mn²⁺ portent des moments antiparallèles sur deux sous-réseaux, reliés par une rotation d’ordre 4 combinée à une demi-translation ; les ions fluor brisent la symétrie qui rendrait les deux sous-réseaux équivalents, ce qui autorise deux couplages distincts J₇ₐ et J₇ᵦ. B) Mesure expérimentale par diffusion inélastique de neutrons polarisés le long de Q = (H, H, 1) : la différence des intensités pour les polarisations +P et −P isole la contribution chirale. Les deux branches de magnons présentent des chiralités opposées (rouge et bleu). C) Simulation correspondante, calculée à partir des paramètres ajustés. (Figure : Faure et al., Science 394, 544 (2026))

Des physiciens du Laboratoire de Physique des Solides (CNRS/Université Paris-Saclay) et du Laboratoire Léon Brillouin (CEA/CNRS/Université Paris-Saclay), avec l’Oak Ridge National Laboratory et l’Université de Windsor, démontrent par diffusion inélastique de neutrons polarisés que MnF₂, antiferromagnétique « d’école » connu depuis les années 1950, est en réalité un altermagnétique. Le signal décisif : une chiralité non nulle des magnons, de signe opposé pour les deux branches d’excitations.

Les altermagnétiques forment une troisième famille de matériaux magnétiques ordonnés. Leur aimantation nette est nulle, comme dans un antiferromagnétique, mais leur structure de bandes présente un splitting de spin imposé par la symétrie, comme dans un ferromagnétique, d’où l’intérêt pour la spintronique. Jusqu’ici, les preuves spectroscopiques reposaient surtout sur la photoémission résolue en angle (MnTe, CrSb) : l’altermagnétisme n’était visualisé que par les degrés de liberté électroniques.

Or il doit aussi se manifester dans les excitations de spin : sans couplage spin-orbite, les deux modes de magnons portent une chiralité ±1 et leurs énergies diffèrent. Mesurer cette chiralité est la signature la plus directe, mais la résolution du RIXS (~10 meV) ne permet pas de séparer les deux modes.

Les chercheurs ont utilisé la diffusion inélastique de neutrons avec analyse de polarisation sur un monocristal de MnF₂ (ordre antiferromagnétique sous TN ≈ 67 K, ions Mn²⁺ de spin 5/2, donc couplage spin-orbite très faible). Sur le spectromètre HYSPEC (SNS, Oak Ridge), ils observent d’abord un dédoublement bien résolu de la branche de magnons, d’environ 0,18 meV au maximum pour une bande de 7 meV, dû principalement au couplage dipolaire à longue portée. L’ajustement par un modèle de Heisenberg montre que la symétrie du cristal n’est reproduite qu’en incluant les voisins jusqu’au septième rang, où deux couplages distincts, J₇ₐ et J₇ᵦ, sont permis : condition nécessaire à un splitting altermagnétique.

Le résultat clé vient des mesures polarisées, sur un échantillon à 85 ± 5 % monodomaine. En soustrayant les intensités mesurées pour +P et −P, l’équipe isole un terme chiral non nul, maximal vers H ≈ 0,35 le long de (H, H, 1), de signe opposé entre branche haute et branche basse, et nul au bord de zone, comme le prévoit la symétrie d-wave de MnF₂. Deux méthodes indépendantes de retournement de polarisation donnent les mêmes résultats, ce qui écarte un artefact instrumental.

Ce signal, de 5 à 11 % de l’intensité totale, sonde des écarts de quelques μeV entre J₇ₐ et J₇ᵦ, bien plus fins que ce que permet la dispersion seule. Les neutrons polarisés offrent ainsi une référence pour identifier de nouveaux altermagnétiques et leurs magnons chiraux.

Contributeur·rice·s :

Quentin Faure*, Dalila Bounoua*, Victor Balédent*, Arsen Gukasov, V. Ovidiu Garlea, Afonso Ribeiro, Jeffrey G. Rau, Sylvain Petit, Paul McClarty

Laboratoire de Physique des Solides (CNRS/Université Paris-Saclay)

Laboratoire Léon Brillouin (CEA/CNRS/Université Paris-Saclay)

Institut universitaire de France (IUF)

Neutron Scattering Division, Oak Ridge National Laboratory (États-Unis)

Department of Physics, University of Windsor (Canada)

Financements

CNRS, CEA, ANR (ALTEROSPIN, ANR-24-EXSP-0002), Fédération française de diffusion neutronique (2FDN), NSERC (Canada), DOE Office of Science (SNS, Oak Ridge). Sélection, caractérisation et orientation des échantillons : plateforme MORPHEUS du LPS.

Référence

Q. Faure*, D. Bounoua*, V. Balédent*, A. Gukasov, V. O. Garlea, A. Ribeiro, J. G. Rau, S. Petit, P. McClarty, Altermagnetism revealed by polarized neutrons in MnF₂, Science 394 (6823), 544–548 (2026), https://doi.org/10.1126/science.aec2602

Contact

victor.baledent@universite-paris-saclay.fr