Pour la première fois, des physiciens de l'Université de Bâle ont réussi à mesurer les propriétés magnétiques de matériaux de van der Waals atomiquement minces à l'échelle nanométrique. Ils ont utilisé des capteurs quantiques en diamant pour déterminer la force de l'aimantation des couches atomiques individuelles du matériau triiodure de chrome. En outre, ils ont trouvé une explication longtemps recherchée pour les propriétés magnétiques inhabituelles du matériau. Le journal Science a publié les conclusions.

L'utilisation de minces atomiquement, les matériaux bidimensionnels van der Waals promettent des innovations dans de nombreux domaines scientifiques et technologiques. Les scientifiques du monde entier explorent constamment de nouvelles façons d'empiler différentes couches atomiques uniques et ainsi de concevoir de nouveaux matériaux avec des propriétés uniques, propriétés émergentes.

Ces matériaux composites ultra-minces sont maintenus ensemble par les forces de van der Waals et se comportent souvent différemment des cristaux massifs du même matériau. Les matériaux van der Waals atomiquement minces comprennent des isolants, semi-conducteurs, supraconducteurs et quelques matériaux aux propriétés magnétiques. Leur utilisation en spintronique ou en supports mémoires magnétiques ultra-compacts est très prometteuse.

La première mesure quantitative de l'aimantation

Jusqu'à maintenant, il n'a pas été possible de déterminer la force, l'alignement et la structure de ces aimants quantitativement ni à l'échelle nanométrique. L'équipe dirigée par Georg-H.-Endress, professeur Patrick Maletinsky du Département de physique et de l'Institut suisse des nanosciences de l'Université de Bâle, a démontré que l'utilisation de pointes de diamant décorées de spins d'électrons uniques dans un microscope à force atomique est parfaitement adaptée à ces types d'études.

"Notre méthode, qui utilise les rotations individuelles dans les centres de couleur du diamant comme capteurs, ouvre un tout nouveau domaine. Les propriétés magnétiques des matériaux bidimensionnels peuvent désormais être étudiées à l'échelle nanométrique et même de manière quantitative. Nos capteurs quantiques innovants sont parfaitement adaptés à cette tâche complexe, " dit Maletinsky.

Le nombre de couches est critique

Grâce à cette technologie développée à l'origine à Bâle et basée sur un seul spin électronique, les scientifiques ont collaboré avec des chercheurs de l'Université de Genève pour déterminer les propriétés magnétiques de couches atomiques uniques de triiodure de chrome (CrI 3 ). Les chercheurs ont ainsi pu trouver la réponse à une question scientifique clé sur le magnétisme de ce matériau.

En trois dimensions, cristal en vrac, le triiodure de chrome est entièrement commandé magnétiquement. Dans le cas de quelques couches atomiques, cependant, seuls les empilements avec un nombre impair de couches atomiques présentent une aimantation non nulle. Les empilements à nombre pair de couches présentent un comportement antiferromagnétique; c'est-à-dire qu'ils ne sont pas magnétisés. La cause de cet « effet pair/impair » et de l'écart par rapport au matériau en vrac était auparavant inconnue.

La tension comme cause

L'équipe de Maletinsky a pu démontrer que ce phénomène est dû à l'arrangement atomique spécifique des couches. Lors de la préparation des échantillons, les couches individuelles de triiodure de chrome se déplacent légèrement les unes contre les autres. La contrainte résultante dans le réseau signifie que les spins des couches successives ne peuvent pas s'aligner dans la même direction; au lieu, le sens de rotation alterne dans les couches. Avec un nombre pair de couches, l'aimantation des couches s'annule; avec un nombre impair, l'intensité de l'aimantation mesurée correspond à celle d'une seule couche.

Cependant, lorsque la tension dans la pile est relâchée, par exemple, en perforant l'échantillon - les spins de toutes les couches peuvent s'aligner dans la même direction, comme cela est également observé dans les cristaux en vrac. La force magnétique de l'ensemble de la pile est alors cohérente avec la somme des couches individuelles.

Les travaux menés par les scientifiques bâlois répondent ainsi non seulement à une question clé sur les aimants bidimensionnels de van der Waals, il ouvre également des perspectives intéressantes sur la façon dont leurs capteurs quantiques innovants pourront être utilisés à l'avenir pour étudier les aimants bidimensionnels afin de contribuer au développement de nouveaux composants électroniques.