Figure 1 :Tours en jeu. Les spins des électrons dans différents matériaux peuvent être contraints dans certaines orientations. Le modèle d'Ising traite des rotations qui pointent vers le haut ou vers le bas. Le modèle XY explique le comportement des matériaux où les spins sont libres de se déplacer uniquement sur les axes x et y, et le modèle Heisenberg concerne les spins qui pointent dans n'importe quelle direction, un peu comme les aiguilles d'une horloge. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Chercheurs du Centre des systèmes électroniques corrélés, au sein de l'Institute for Basic Science (IBS) en Corée du Sud, en collaboration avec l'Université Sogang et l'Université nationale de Séoul, ont rapporté la première observation expérimentale d'un matériau antiferromagnétique de type XY, dont l'ordre magnétique devient instable lorsqu'il est réduit à une épaisseur d'un atome. Publié dans Communication Nature , ces résultats sont cohérents avec les prédictions théoriques remontant aux années 1970.
La dimensionnalité en physique est un concept important qui détermine la nature de la matière. La découverte du graphène a ouvert les portes du monde en 2D :un endroit où une épaisseur d'un ou de deux atomes fait la différence. Depuis, plusieurs scientifiques se sont intéressés à l'expérimentation de matériaux 2D, y compris les matériaux magnétiques.
Les matériaux magnétiques sont caractérisés par leur comportement en spin. Les spins peuvent être alignés parallèlement ou antiparallèles les uns aux autres, conduisant à des ferroaimants ou des antiferroaimants, respectivement. Au-delà de ça, toutes les classes de matériaux peuvent, en principe, appartiennent à trois modèles différents selon une certaine compréhension fondamentale de la physique :Ising, XY ou Heisenberg. Le modèle XY explique le comportement des matériaux dont les spins se déplacent uniquement sur un plan constitué des axes x et y.
Le comportement de rotation peut considérablement changer lors de la coupe de l'aimant à son niveau le plus fin, comme les matériaux 2-D sont plus sensibles aux fluctuations de température, ce qui peut détruire le modèle de spins bien alignés. Il y a près de 50 ans, John M. Kosterlitz et David J. Thouless, et Vadim Berezinskii indépendamment, décrit théoriquement que les modèles 2-D XY ne subissent pas de transition de phase magnétique normale à basse température, mais une forme très inhabituelle, appelé plus tard transition BKT. Ils ont réalisé que les fluctuations quantiques des spins individuels sont beaucoup plus perturbatrices dans le monde en 2D que dans celui en 3D, ce qui peut conduire à des vrilles prenant un motif de vortex. Kosterlitz et Thouless ont reçu le prix Nobel de physique en 2016.
Au cours des années, les matériaux ferromagnétiques ont été largement analysés, mais les recherches sur les matériaux antiferromagnétiques n'avançaient pas à la même vitesse. La raison étant que ces derniers nécessitent des techniques expérimentales différentes. "Malgré l'intérêt et les fondements théoriques, personne ne l'a jamais expérimenté. La principale raison en est qu'il est très difficile de mesurer en détail les propriétés magnétiques d'un matériau antiferromagnétique aussi mince, " dit PARK Je-Geun, auteur principal de la publication.
Figure 2 :La comparaison entre NiPS3 en vrac et monocouche à différentes températures. Bulk (a) et monocouche (b) NiPS3 révèlent une signature différente dans les spectres Raman. Le grand pic à environ 550 cm-1 dans l'échantillon d'un atome d'épaisseur est un signe que l'ordre magnétique est perdu. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Les chercheurs impliqués dans cette étude se sont concentrés sur une classe de métaux de transition qui conviennent à l'étude de l'ordre antiferromagnétique en 2D. Parmi eux, le trisulfure de nickel phosphore (NiPS3) correspond au type XY et est antiferromagnétique à basse température. C'est aussi un matériau van der Waals, caractérisé par de fortes liaisons intra-couches, et des connexions inter-couches facilement cassables. Par conséquent, NiPS3 peut être préparé en plusieurs couches, avec une technique appelée dépôt chimique en phase vapeur, puis exfolié jusqu'en monocouche, permettant d'examiner la corrélation entre l'ordre magnétique et le nombre de couches.
L'équipe a analysé et comparé NiPS3 en vrac et en monocouche avec la spectroscopie Raman, une technique qui permet de déterminer le nombre de couches et les propriétés physiques. Ils ont remarqué que leur magnétisme change en fonction de l'épaisseur :l'ordre des spins est supprimé au niveau de la monocouche.
"Ce qui est intéressant, c'est le changement drastique entre la bicouche et la monocouche. A première vue, il n'y a peut-être pas une grande différence entre les deux, mais l'effet du passage de deux dimensions à trois dimensions fait basculer brusquement leurs propriétés physiques, " explique Parc.
Ceci est un autre exemple de matériaux magnétiques dépendant de l'épaisseur. Parmi eux, triiodure de chrome (CrI
Le groupe étudie également le modèle Heisenberg, et de nouveaux phénomènes résultant de la combinaison de matériaux antiferromagnétiques avec d'autres.
