Les scientifiques du PSI ont acquis une compréhension fondamentale d'un matériau très prometteur qui pourrait être adapté aux futures applications de stockage de données. Leurs expériences avec l'oxyde de strontium-iridium, Sr 2 IrO 4 , ont étudié à la fois les propriétés magnétiques et électroniques du matériau sous la forme d'un film mince. Ils ont également analysé comment ces propriétés peuvent être systématiquement contrôlées en manipulant les films. Cette étude a été rendue possible par la diffusion sophistiquée des rayons X, une technologie où les chercheurs du PSI sont parmi les experts mondiaux. Les résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences .

Dans leur quête du stockage magnétique de données du futur, les chercheurs recherchent des matériaux adaptés avec des propriétés qui peuvent être personnalisées de la manière la plus flexible possible. Un candidat prometteur est l'oxyde de strontium-iridium, un oxyde métallique avec la notation chimique Sr 2 IrO 4 . Les scientifiques du PSI ont étudié ce matériau, travailler aux côtés de collègues en Pologne, les États-Unis et la France.

"Le mot-clé de nos recherches est la spintronique, " explique Thorsten Schmitt, Chef du groupe de recherche du PSI pour la spectroscopie de nouveaux matériaux. La spintronique utilise à la fois la charge électrique de l'électron et son spin interne pour développer des composants électroniques avancés.

La spintronique est déjà utilisée dans les disques durs d'aujourd'hui, mais les propriétés des matériaux utilisés sont basées sur un magnétisme « normal » :des ferroaimants comme le fer ou le nickel où les spins sont disposés en parallèle. Leur inconvénient est l'espacement relativement important nécessaire entre les points de stockage de données ferromagnétiques, c'est à dire., les bits, pour éviter les interférences croisées.

Les experts pensent que les matériaux antiferromagnétiques pourraient offrir une alternative prometteuse, car leurs tours sont disposés dans des directions opposées. Vu de l'extérieur, les matériaux antiferromagnétiques sont donc magnétiquement neutres. Par conséquent, un bit antiferromagnétique n'interférerait pas avec son voisin. "Ces morceaux peuvent être emballés plus étroitement ensemble, donc plus de données peuvent être stockées sur le même espace, " Schmitt dit. " En plus de cela, les opérations de lecture-écriture de données sont beaucoup plus rapides."

L'oxyde de strontium-iridium est un tel matériau antiferromagnétique. Il s'agit essentiellement d'un cristal au sein duquel les atomes d'iridium et d'oxygène forment de minuscules octaèdres. "Nous appelons cela une structure pérovskite, " explique Milan Radovic, physicien au PSI et co-auteur de la nouvelle étude. « C'est un matériau idéal pour manipuler systématiquement ses propriétés fonctionnelles, " ajoute Radovic.

Manipulation de couches minces

Pour effectuer une telle manipulation et en savoir plus sur les propriétés de ce matériau très prometteur, Les scientifiques du PSI ont appliqué une fine couche cristalline de Sr 2 IrO 4 comme film principal sur différents substrats cristallins. L'idée est que le substrat entraîne une distorsion de la structure cristalline du film appliqué. "C'est comme si nous tirions ou comprimions notre matière au niveau des atomes, " explique Schmitt. Cela fait que les octaèdres pérovskites se tordent et se déplacent légèrement les uns par rapport aux autres, en fin de compte changer les propriétés du matériau dans son ensemble.

Cette méthode permet d'affiner systématiquement les propriétés magnétiques et électroniques du matériau. Et comme ce type de matériau est déjà utilisé dans les composants électroniques sous forme de couches minces, le développement d'applications dans ce domaine serait la prochaine étape logique.

Obtenir une image globale

Pour une analyse approfondie de leurs échantillons, Les scientifiques du PSI ont utilisé une technique spéciale de rayons X qui a été fortement développée par le PSI, connue sous le nom de Resonant Inelastic X-Ray-Scattering, ou RIXS pour faire court. Au PSI, les chercheurs ont utilisé des rayons X mous pour réaliser leurs expériences RIXS. La recherche en Suisse a été complétée par des mesures de précision supplémentaires avec des rayons X durs de plus haute énergie menées à l'installation européenne de rayonnement synchrotron à Grenoble et à la source avancée de photons en Argonne, NOUS..

"La plupart des méthodes se concentrent séparément sur le magnétisme ou les propriétés électroniques, " explique Schmitt. " Avec RIXS, d'autre part, nous pouvons étudier les deux propriétés avec la même mesure et les comparer directement entre elles. En bref :nous avons réussi à obtenir une image globale de notre échantillon."

Les chercheurs ont pu découvrir comment les propriétés électroniques changent lorsque le réseau cristallin du Sr 2 IrO 4 le film est déformé, et comment ce développement est lié au changement de magnétisme. Les deux vont de pair et fournissent des résultats importants pour des applications potentielles.

Les supraconducteurs comme paradigme

Spécifiquement, le groupe a réussi à modifier l'oxyde de strontium-iridium afin que ses propriétés magnétiques imitent une autre classe de matériaux fascinants :les supraconducteurs à haute température composés de couches d'oxyde de cuivre, également appelés cuprates. Ceux-ci ont également une structure de type pérovskite. Dans leur expérience, Les scientifiques du PSI ont tiré et tordu le Sr 2 IrO 4 film de sorte que les distances atomiques dans le réseau cristallin se dilatent et qu'en plus une rotation se produise. "Cela nous a permis de faire en sorte que le matériau reproduise les propriétés d'un cuprate, " dit Schmitt. " Cependant, nous sommes encore loin de produire un nouveau supraconducteur, " il dit, avant que quelqu'un n'ait de l'espoir. Il pense également qu'il faudra peut-être encore 10 ou 20 ans avant que les découvertes actuelles ne contribuent éventuellement au développement de nouvelles applications de stockage de données. "Notre tâche est de produire de la recherche fondamentale. Ceci est d'une importance vitale en tant que tremplin dans le développement futur de nouveaux matériaux."