Les matériaux magnétiques constituent la base de technologies qui jouent aujourd'hui un rôle de plus en plus central dans nos vies, y compris la détection et le stockage de données sur disque dur. Mais comme nos rêves innovants évoquent des souhaits pour des appareils toujours plus petits et plus rapides, les chercheurs recherchent de nouveaux matériaux magnétiques plus compacts, plus efficace et peut être contrôlé à l'aide de précision, méthodes fiables.

Une équipe dirigée par l'Université de Washington et le Massachusetts Institute of Technology a pour la première fois découvert le magnétisme dans le monde 2-D des monocouches, ou des matériaux qui sont formés par une seule couche atomique. Les résultats, publié le 8 juin dans la revue La nature , démontrer que les propriétés magnétiques peuvent exister même dans le domaine 2D, ouvrant ainsi un monde d'applications potentielles.

"Ce que nous avons découvert ici est un matériau 2-D isolé avec un magnétisme intrinsèque, et le magnétisme dans le système est très robuste, " dit Xiaodong Xu, un professeur UW de physique et de science et ingénierie des matériaux, et membre du Clean Energy Institute de l'UW. "Nous envisageons que de nouvelles technologies de l'information puissent émerger sur la base de ces nouveaux aimants 2D."

Xu et le professeur de physique du MIT Pablo Jarillo-Herrero ont dirigé l'équipe internationale de scientifiques qui ont prouvé que le matériau - le triiodure de chrome, ou CrI3 - a des propriétés magnétiques sous sa forme monocouche.

D'autres groupes, y compris le co-auteur Michael McGuire au Laboratoire national d'Oak Ridge, avait déjà montré que CrI3 - dans son multicouche, 3-D, forme cristalline en vrac - est ferromagnétique. Dans les matériaux ferromagnétiques, les "spins" des électrons constitutifs, analogue à minuscule, aimants subatomiques, aligner dans la même direction même sans champ magnétique externe.

Mais aucune substance magnétique 3-D n'avait auparavant conservé ses propriétés magnétiques lorsqu'elle était réduite en une seule feuille atomique. En réalité, les matériaux monocouches peuvent démontrer des propriétés uniques que l'on ne voit pas dans leur multicouche, Formes 3D.

"Vous ne pouvez tout simplement pas prédire avec précision ce que l'électricité, magnétique, les propriétés physiques ou chimiques d'un cristal monocouche 2-D seront basées sur le comportement de son homologue en vrac 3-D, ", a déclaré Bevin Huang, co-auteur principal et doctorant de l'UW.

Les atomes dans les matériaux monocouches sont considérés comme "fonctionnellement" bidimensionnels car les électrons ne peuvent voyager qu'à l'intérieur de la feuille atomique, comme des pièces sur un échiquier.

Pour découvrir les propriétés du CrI3 sous sa forme 2-D, l'équipe a utilisé du scotch pour raser une monocouche de CrI3 sur la plus grande, Forme cristalline 3D.

"L'utilisation de ruban adhésif pour exfolier une monocouche de son cristal en vrac 3-D est étonnamment efficace, " a déclaré Genevieve Clark, co-auteur principal et doctorante de l'UW. technique à faible coût a d'abord été utilisée pour obtenir du graphène, la forme 2-D du graphite, et a été utilisé avec succès depuis lors avec d'autres matériaux."

Dans les matériaux ferromagnétiques, les spins alignés des électrons laissent une signature révélatrice lorsqu'un faisceau de lumière polarisée est réfléchi par la surface du matériau. Les chercheurs ont détecté cette signature dans CrI3 à l'aide d'un type spécial de microscopie. C'est le premier signe définitif de ferromagnétisme intrinsèque dans une monocouche isolée.

Étonnamment, en paillettes CrI3 épaisses de deux couches, la signature optique a disparu. Cela indique que les spins des électrons sont alignés de manière opposée les uns aux autres, un terme connu sous le nom d'ordre anti-ferromagnétique.

Le ferromagnétisme est revenu dans le CrI3 à trois couches. Les scientifiques devront mener d'autres études pour comprendre pourquoi le CrI3 a affiché ces remarquables phases magnétiques dépendantes de la couche. Mais à Xu, ce ne sont là que quelques-unes des propriétés vraiment uniques révélées par la combinaison de monocouches.

« Les monocouches 2D offrent à elles seules des opportunités intéressantes pour étudier le contrôle électrique drastique et précis des propriétés magnétiques, qui a été un défi à réaliser en utilisant leurs cristaux en vrac 3-D, " a déclaré Xu. " Mais une opportunité encore plus grande peut se présenter lorsque vous empilez des monocouches avec des propriétés physiques différentes. Là, vous pouvez obtenir des phénomènes encore plus exotiques que l'on ne voit pas dans la monocouche seule ou dans le cristal en vrac 3-D."

Une grande partie des recherches de Xu se concentre sur la création d'hétérostructures, qui sont des empilements de deux matériaux ultrafins différents. A l'interface entre les deux matériaux, son équipe recherche de nouveaux phénomènes physiques ou de nouvelles fonctions pour permettre des applications potentielles en informatique et technologies de l'information.

Dans une avance connexe, le groupe de recherche de Xu, Le professeur de génie électrique et de physique de l'UW Kai-Mei Fu a dirigé une équipe de collègues a publié un article le 31 mai dans Avancées scientifiques montrant qu'une forme ultrafine de CrI3, lorsqu'il est empilé avec une monocouche de diséléniure de tungstène, crée une interface "hétérostructure" ultrapropre avec des propriétés photoniques et magnétiques uniques et inattendues.

"Les hétérostructures sont les plus prometteuses pour réaliser de nouvelles applications en informatique, stockage de base de données, communications et autres applications que nous ne pouvons même pas encore imaginer, " dit Xu.

Xu et son équipe aimeraient ensuite étudier les propriétés magnétiques uniques aux aimants 2D et aux hétérostructures qui contiennent une monocouche ou une bicouche de CrI3.