Illustration de l'effet Kerr utilisé pour détecter l'aimantation par rotation de la lumière polarisée lorsqu'elle interagit avec les spins des électrons dans un matériau. Montré sont des couches de tellurure de chrome germanium (CGT). Les boules oranges représentent les atomes de tellure, le jaune est le germanium, et le bleu est le chrome. Crédit :Zhenglu Li/Laboratoire de Berkeley
Il peut sembler qu'un matériau aussi fin qu'un atome puisse cacher des surprises, mais une équipe de recherche dirigée par des scientifiques du laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie (Berkeley Lab) a découvert une propriété magnétique inattendue dans un matériau bidimensionnel.
Les scientifiques ont découvert qu'un cristal de van der Waals 2D, partie d'une classe de matériaux dont les couches atomiquement minces peuvent être décollées une à une avec du ruban adhésif, possédait un ferromagnétisme intrinsèque.
La découverte, à paraître le 26 avril dans la revue La nature , pourrait avoir des implications majeures pour un large éventail d'applications qui reposent sur des matériaux ferromagnétiques, comme la mémoire nanométrique, dispositifs spintroniques, et capteurs magnétiques.
"C'est une découverte passionnante, " a déclaré le chercheur principal de l'étude Xiang Zhang, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur à l'UC Berkeley. "Cette expérience présente des preuves d'un pistolet fumant pour un aimant atomiquement mince et atomiquement plat, ce qui a surpris beaucoup de monde. Il ouvre la porte à l'exploration de la physique fondamentale du spin et des applications spintroniques à de faibles dimensions."
L'étude s'attaque à un problème de longue date en physique quantique, à savoir si le magnétisme survivrait lorsque les matériaux se rétréciraient à deux dimensions. Depuis un demi-siècle, le théorème de Mermin-Wagner a abordé cette question en déclarant que si les matériaux 2-D manquent d'anisotropie magnétique, un alignement directionnel des spins électroniques dans le matériau, il peut n'y avoir aucun ordre magnétique.
"De façon intéressante, nous avons constaté que l'anisotropie magnétique est une propriété inhérente au matériau 2D que nous avons étudié, et à cause de cette caractéristique, nous avons pu détecter le ferromagnétisme intrinsèque, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Cheng Gong, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zhang.
Le chercheur postdoctoral Cheng Gong (à droite) et le chercheur principal Xiang Zhang (debout) obtiennent des flocons 2D de tellurure de chrome-germanium (CGT) à l'aide de ruban adhésif. Ils rapportent la première découverte expérimentale du ferromagnétisme intrinsèque dans les matériaux 2D de van der Waals. Crédit :Marilyn Chung/Berkeley Lab
Forces Van der Waals, du nom d'un scientifique néerlandais, fait référence aux forces d'attraction intermoléculaires qui ne proviennent pas des liaisons covalentes ou ioniques typiques qui maintiennent les molécules intactes. Ces forces quantiques sont utilisées par les geckos car ils se déplacent sans effort le long des murs et des plafonds.
Les cristaux de Van der Waals décrivent des matériaux dans lesquels les couches 2D ne sont pas reliées entre elles par des liaisons traditionnelles, leur permettant d'être facilement exfoliés avec du ruban adhésif. Recherche sur le graphène, le matériau van der Waals le plus connu, a obtenu le prix Nobel de physique en 2010.
"C'est comme les pages d'un livre, " dit Gong. " Les pages peuvent être empilées les unes sur les autres, mais les forces qui relient une page à une autre sont beaucoup plus faibles que les forces dans le plan qui maintiennent une seule feuille intacte."
Gong estime que pour cette étude, il en a décollé plus de 3, 000 paillettes de tellurure de chrome germanium (Cr2Ge2Te6, ou CGT). Alors que la CGT existe en tant que matériau en vrac depuis des décennies, les chercheurs disent que les flocons 2-D pourraient représenter une nouvelle famille passionnante de cristaux 2-D van der Waals.
"La CGT est aussi un semi-conducteur, et le ferromagnétisme est intrinsèque, " a déclaré le co-auteur principal Jing Xia, Professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'UC Irvine. "Cela le rend plus propre pour les applications en mémoire et en spintronique."
Les chercheurs détectent l'aimantation de matériaux atomiquement minces à l'aide d'une technique appelée effet Kerr magnéto-optique. La méthode implique la détection super sensible de la rotation de la lumière polarisée linéairement lorsqu'elle interagit avec les spins des électrons dans le matériau.
Des flocons progressivement plus minces d'un matériau van der Waals - illustré par du tellurure de chrome-germanium (CGT) - sont créés en décollant à plusieurs reprises des couches avec du ruban adhésif. Les chercheurs du Berkeley Lab ont découvert le ferromagnétisme intrinsèque dans les couches 2D de ce matériau. Crédit :Marilyn Chung/Berkeley Lab
La clé de l'une des découvertes les plus surprenantes de l'étude est que l'anisotropie magnétique était très faible dans le matériau CGT. Cela a permis aux chercheurs de contrôler facilement la température à laquelle le matériau perd son ferromagnétisme, connue sous le nom de température de transition ou de Curie.
"C'est une découverte importante, " dit Gong, "Les gens croient que la température de Curie est une propriété inhérente d'un matériau magnétique et ne peut pas être modifiée. Notre étude montre que c'est possible."
Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient contrôler la température de transition du flocon CGT en utilisant des champs magnétiques étonnamment petits de 0,3 tesla ou moins.
"De minces couches de métaux comme le fer, cobalt, et nickel, contrairement aux matériaux 2D van der Waals, sont structurellement imparfaits et sensibles à diverses perturbations, qui contribuent à une anisotropie parasite énorme et imprévisible, " dit Gong. " En revanche, le CGT 2-D hautement cristallin et uniformément plat, avec sa faible anisotropie intrinsèque, permet à de petits champs magnétiques externes de concevoir efficacement l'anisotropie, permettant un contrôle sans précédent du champ magnétique des températures de transition ferromagnétique."
Les auteurs de l'étude ont également souligné qu'une caractéristique frappante des cristaux de van der Waals est qu'ils peuvent être facilement combinés avec des matériaux différents sans restrictions basées sur la compatibilité structurelle ou chimique.
« Les opportunités de combiner différents matériaux pour développer de nouvelles fonctionnalités sont attrayantes, " a déclaré le co-auteur principal Steven Louie, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de physique à l'UC Berkeley. "Cela offre une énorme flexibilité dans la conception de structures artificielles pour diverses applications magnéto-électriques et magnéto-optiques."
