Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord ont découvert que le matériau céramique d'oxyde de lanthane et de manganite de strontium (LSMO) conserve ses propriétés magnétiques dans des couches atomiquement minces s'il est "pris en sandwich" entre deux couches d'un oxyde céramique différent, oxyde de lanthane strontium chrome (LSCO). Les résultats ont des implications pour l'utilisation future du LSMO dans les dispositifs de calcul et de stockage basés sur la spintronique.

Dans sa forme en vrac, le LSMO a des propriétés à la fois magnétiques et métalliques. La conductivité du matériau peut être altérée en changeant son champ magnétique, ce qui rend le LSMO attrayant pour une utilisation en tant que commutateur dans les dispositifs spintroniques. Cependant, lorsque le matériau atteint une certaine finesse – entre 5 et 10 couches atomiques – il perd ces propriétés.

Divin Kumah, professeur adjoint de physique à NC State et auteur correspondant d'un article décrivant le travail, voulait savoir pourquoi le LSMO perd ses propriétés magnétiques à une finesse particulière, et de trouver un moyen de rendre le LSMO magnétique sous forme mince.

Koumah, avec des collègues et des étudiants diplômés de l'État de Caroline du Nord, ont d'abord fait pousser des films minces de LSMO sur du titanate de strontium, un substrat non magnétique couramment utilisé comme échafaudage neutre. L'équipe a développé des films allant de deux à 10 couches atomiques d'épaisseur et les a testés pour les propriétés magnétiques.

Prochain, l'équipe a utilisé la source de lumière synchrotron du laboratoire national d'Argonne afin d'obtenir une vue en trois dimensions de la disposition des atomes dans les couches minces du LSMO. Ils ont constaté qu'à l'extrême maigreur, les atomes d'oxygène et de manganèse se sont légèrement désalignés à la surface du matériau, désactiver efficacement son magnétisme.

"À environ cinq couches atomiques, nous avons vu des distorsions à la surface de la couche et à l'interface inférieure avec l'échafaudage, " dit Kumah. " Les atomes d'oxygène et de manganèse se réarrangent. Le magnétisme et la conductivité électrique dans le LSMO sont liés à la façon dont ces deux atomes se lient, donc s'il y a des distorsions polaires dans le film où elles se déplacent de haut en bas, les liens s'étirent, les électrons ne peuvent pas se déplacer efficacement à travers le matériau et le magnétisme est désactivé."

L'équipe a noté que ces distorsions commençaient au sommet du film et s'étendaient sur environ trois couches sous la surface.

"Nous avons constaté que les distorsions se produisent parce que la structure cristalline crée un champ électrique à la surface, " dit Kumah. " Les atomes d'oxygène et de manganèse se déplacent afin d'annuler le champ électrique. Notre défi était de faire pousser quelque chose aux interfaces qui soit structurellement compatible avec le LSMO mais qui soit également isolant, de sorte que nous supprimions le champ électrique, arrêter le mouvement des atomes d'oxygène et de manganèse et conserver les propriétés magnétiques."

Les chercheurs ont découvert qu'en utilisant deux couches de LSCO de chaque côté du LSMO, le LSMO pourrait conserver ses propriétés magnétiques à deux couches atomiques.

"C'est comme un sandwich - LSCO est le pain et LSMO est la viande, " dit Kumah. " Vous pouvez utiliser moins de cinq couches de LSMO dans cet arrangement sans aucun déplacement atomique. Espérons que nos travaux ont montré que ces matériaux peuvent être suffisamment minces pour être utiles dans les dispositifs de spintronique."