Ce schéma illustre comment une phase tétragonale de Ru a été forcée en utilisant des méthodes de croissance de film ultra mince. Crédit :Université du Minnesota, Quarterman et al, Communication Nature
Une nouvelle découverte expérimentale, dirigé par des chercheurs de l'Université du Minnesota, démontre que l'élément chimique ruthénium (Ru) est le quatrième élément unique à avoir des propriétés magnétiques uniques à température ambiante. La découverte pourrait être utilisée pour améliorer les capteurs, dispositifs dans l'industrie de la mémoire informatique et de la logique, ou d'autres dispositifs utilisant des matériaux magnétiques.
L'utilisation du ferromagnétisme, ou le mécanisme de base par lequel certains matériaux (comme le fer) forment des aimants permanents ou sont attirés par des aimants, remonte aussi loin que les temps anciens où l'aimant était utilisé pour la navigation. Depuis lors, seuls trois éléments du tableau périodique se sont avérés ferromagnétiques à température ambiante :le fer (Fe), cobalt (Co), et nickel (Ni). L'élément des terres rares gadolinium (Gd) manque presque de seulement 8 degrés Celsius.
Les matériaux magnétiques sont très importants dans l'industrie et la technologie moderne et ont été utilisés pour des études fondamentales et dans de nombreuses applications quotidiennes telles que les capteurs, moteurs électriques, générateurs, support de disque dur, et plus récemment les mémoires spintroniques. Comme la croissance des couches minces s'est améliorée au cours des dernières décennies, a donc la capacité de contrôler la structure des réseaux cristallins - ou même des structures de force qui sont impossibles dans la nature. Cette nouvelle étude démontre que Ru peut être le quatrième matériau ferromagnétique à élément unique en utilisant des films ultra-minces pour forcer la phase ferromagnétique.
Les détails de leurs travaux sont publiés dans le dernier numéro de Communication Nature . L'auteur principal de l'article est un récent doctorat de l'Université du Minnesota. diplômé Patrick Quarterman, qui est boursier postdoctoral du National Research Council (NRC) au National Institute of Standards and Technology (NIST).
"Le magnétisme est toujours incroyable. Il fait ses preuves à nouveau. Nous sommes ravis et reconnaissants d'être le premier groupe à démontrer expérimentalement et à ajouter le quatrième élément ferromagnétique à température ambiante au tableau périodique, " a déclaré Jian-Ping Wang, professeur d'ingénierie électrique et informatique à l'Université du Minnesota, Robert F. Hartmann, l'auteur correspondant de l'article et le conseiller de Quarterman.
« C'est un problème passionnant mais difficile. Il nous a fallu environ deux ans pour trouver un bon moyen de faire croître ce matériau et de le valider. Ce travail va inciter la communauté de recherche magnétique à examiner les aspects fondamentaux du magnétisme pour de nombreux éléments bien connus, " a ajouté Wang.
D'autres membres de l'équipe ont également souligné l'importance de ce travail.
Cette image de microscopie électronique à haute résolution confirme la phase tétragonale du Ru telle que prédite par les auteurs de l'étude. Crédit :Université du Minnesota, Quarterman et al, Communication Nature
"La capacité de manipuler et de caractériser la matière à l'échelle atomique est la pierre angulaire des technologies de l'information modernes, " a déclaré le co-auteur de l'étude Paul Voyles, un professeur Beckwith-Bascom et président du département de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université du Wisconsin-Madison. "Notre collaboration avec le groupe du professeur Wang de l'Université du Minnesota montre que ces outils peuvent trouver de nouvelles choses même dans les systèmes les plus simples, composé d'un seul élément."
Les partenaires de l'industrie conviennent que la collaboration est la clé de l'innovation
« Intel est satisfait de la collaboration de recherche à long terme qu'il entretient avec l'Université du Minnesota et le C-SPIN [Center for Spintronic Materials, Interfaces, et architectures nouvelles], dit Ian A. Young, Senior Fellow et directeur chez Intel Corporation. "Nous sommes ravis de partager ces développements rendus possibles par l'exploration du comportement des effets quantiques dans les matériaux, ce qui peut fournir des informations sur les dispositifs logiques et mémoire innovants à haut rendement énergétique. » D'autres leaders de l'industrie conviennent que cette découverte aura un impact sur l'industrie des semi-conducteurs.
« Les dispositifs spintroniques revêtent une importance croissante pour l'industrie des semi-conducteurs, " a déclaré Todd Younkin, le directeur des consortiums parrainés par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) à Semiconductor Research Corporation (SRC). « Des avancées fondamentales dans notre compréhension des matériaux magnétiques, tels que ceux démontrés dans cette étude par le professeur Wang et son équipe, est essentiel pour réaliser des percées continues en termes de performances et d'efficacité informatiques."
Les nouvelles technologies nécessitent de nouveaux matériaux
L'enregistrement magnétique est toujours l'acteur dominant dans la technologie de stockage de données, mais la mémoire vive magnétique et l'informatique commencent à prendre sa place. Ces mémoires magnétiques et dispositifs logiques imposent des contraintes supplémentaires sur les matériaux magnétiques, où les données sont stockées et calculées, par rapport aux matériaux magnétiques traditionnels des supports de disque dur. Cette poussée pour de nouveaux matériaux a conduit à un regain d'intérêt pour les tentatives de réaliser des prédictions qui montrent que dans les bonnes conditions, matériaux non ferromagnétiques, comme Ru, le palladium (Pd) et l'osmium (Os) peuvent devenir ferromagnétiques.
En s'appuyant sur les prédictions théoriques établies, des chercheurs de l'Université du Minnesota ont utilisé l'ingénierie des couches de semences pour forcer la phase tétragonale de Ru, qui préfère avoir une configuration hexagonale, et observé le premier cas de ferromagnétisme dans un seul élément à température ambiante. La structure cristalline et les propriétés magnétiques ont été largement caractérisées en collaborant avec le centre de caractérisation de l'Université du Minnesota et des collègues de l'Université du Wisconsin.
Les chercheurs ont déclaré que cette étude ouvre la porte à des études fondamentales de ce nouveau Ru ferromagnétique. Du point de vue applicatif, Ru est intéressant car il résiste à l'oxydation, et des prédictions théoriques supplémentaires affirment qu'il a une stabilité thermique élevée, une exigence vitale pour la mise à l'échelle des mémoires magnétiques. L'examen de cette stabilité thermique élevée est au centre des recherches en cours à l'Université du Minnesota.
