Tous les éléments sont là pour commencer, pour ainsi dire; il s'agit simplement de déterminer de quoi ils sont capables, seuls ou ensemble. Pour le laboratoire de Leslie Schoop, une étude récente de ce type a découvert un composé en couches avec un trio de propriétés qui n'étaient pas connues auparavant pour exister dans un matériau.

Avec une équipe interdisciplinaire internationale, Scoop, professeur assistant de chimie, et associé de recherche postdoctoral Shiming Lei, a publié un article la semaine dernière dans Avancées scientifiques rapportant que le tritellurure de gadolinium (GdTe3) du matériau van der Waals présente la mobilité électronique la plus élevée parmi tous les matériaux magnétiques en couches connus. En outre, il a un ordre magnétique, et peut facilement être exfolié.

Combiné, ces propriétés en font un candidat prometteur pour de nouveaux domaines comme les dispositifs magnétiques twistroniques et la spintronique, ainsi que des avancées en matière de stockage de données et de conception d'appareils.

L'équipe Schoop a initialement découvert ces caractéristiques uniques au début de 2018, peu de temps après le début du projet. Leur premier succès a été de démontrer que le GdTe3 est facilement exfoliable en flocons ultrafins inférieurs à 10 nm. Ensuite, l'équipe a passé deux ans à affiner la pureté des cristaux matériels à un état qui n'a servi qu'à amplifier les résultats. Le laboratoire a déjà expédié un certain nombre d'échantillons à des chercheurs désireux d'explorer comment le composé s'intègre dans une catégorie auparavant occupée uniquement par le phosphore noir et le graphite. La mobilité élevée est rare dans les matériaux stratifiés.

Les propriétés détaillées dans l'étude, décrit comme des oscillations quantiques ou « ondulations » qui peuvent être mesurées, sont si prononcés qu'ils ont été observés sans les sondes et équipements spéciaux que l'on trouve généralement dans les laboratoires nationaux.

"D'habitude, si vous voyez ces oscillations, cela dépend en partie de la qualité de votre échantillon. Nous nous sommes vraiment assis et avons fabriqué les meilleurs cristaux possibles. En deux ans, nous avons amélioré la qualité, de sorte que ces oscillations sont devenues de plus en plus dramatiques, " dit Schoop. " Mais les premiers échantillons les montraient déjà, même si avec les premiers cristaux que nous avons cultivés, nous ne savions pas exactement ce que nous faisions, " a déclaré Schoop.

"C'était très excitant pour nous. Nous avons vu ces résultats d'électrons très mobiles dans ce matériau auxquels nous ne nous attendions pas. Bien sûr, nous espérions de bons résultats. Mais je ne m'attendais pas à ce que ce soit aussi dramatique, " ajouta Schoop.

Lei a qualifié la nouvelle de "percée" en grande partie à cause de la grande mobilité. "Ajouter ce matériau dans le zoo des matériaux 2-D van der Waals, c'est comme ajouter un ingrédient nouvellement découvert pour la cuisine, qui permet de nouvelles saveurs et plats, " il a dit.

"Alors d'abord, vous sortez ces matériaux. La prochaine chose est d'identifier le potentiel :quelle est la fonction de l'appareil que vous pouvez en faire ? Quelles sont les performances que nous pouvons encore améliorer en tant que prochaine génération de matériaux le long de cette ligne ? »

Un tritellurure de terre rare, GdTe3 a une mobilité porteuse au-delà de 60, 000 cm2V-1s-1. Cela signifie que si un champ d'un volt par cm est appliqué au matériau, les électrons se déplacent avec une vitesse nette de 60, 000 cm par seconde. Comparer, les mobilités dans d'autres matériaux magnétiques ne sont souvent que de quelques centaines de cm2V-1s-1.

"Une mobilité élevée est importante car cela signifie que les électrons à l'intérieur des matériaux sont capables de voyager à grande vitesse avec une diffusion minimale, réduisant ainsi la dissipation thermique de tout appareil électronique construit à partir de celui-ci, " dit Lei.

Les matériaux de Van der Waals, dans lesquels les couches sont liées par une force faible, sont les composés parents des matériaux 2D. Les chercheurs les étudient pour la fabrication de dispositifs de nouvelle génération et également pour une utilisation en twistronique, décrit pour la première fois dans la communauté scientifique il y a quelques années seulement. Avec twistronics, les couches de matériaux 2D sont mal alignées ou tordues lorsqu'elles se superposent. Le désalignement judicieux du réseau cristallin peut changer électriquement, propriétés optiques et mécaniques d'une manière qui peut offrir de nouvelles opportunités d'applications.

En outre, on a découvert il y a une quinzaine d'années que les matériaux van der Waals pouvaient être exfoliés jusqu'à la couche la plus fine en utilisant quelque chose d'aussi banal que du scotch. Cette révélation a suscité de nombreux nouveaux développements en physique. Finalement, Les matériaux 2-D n'ont été révélés que récemment pour présenter un ordre magnétique, dans lequel les spins des électrons sont alignés les uns avec les autres. Tous les périphériques « légers » :disques durs, par exemple, sont basées sur des matériaux commandés magnétiquement de différentes manières qui produisent des efficacités différentes.

"Nous avons trouvé ce matériau où les électrons traversent comme sur une autoroute - parfait, très facilement, vite, " a déclaré Schoop. "Avoir cet ordre magnétique en plus et le potentiel d'aller à deux dimensions est juste quelque chose d'uniquement nouveau pour ce matériau."

Les résultats de l'étude sont une preuve solide pour le jeune laboratoire de Schoop, créé il y a un peu plus de deux ans. Ils sont le fruit d'une collaboration avec le Princeton Center for Complex Materials, un centre de recherche scientifique et technique sur les matériaux financé par la NSF, et co-auteurs Nai Phuan Ong, Sanfeng Wu, et Ali Yazdani, tous les professeurs avec le département de physique de Princeton.

Pour bien comprendre les propriétés électroniques et magnétiques du GdTe3, l'équipe a également collaboré avec le Boston College pour des tests d'exfoliation, et le Laboratoire national d'Argonne et le Max Planck Institute for Solid State Research pour comprendre la structure électronique du matériau à l'aide du rayonnement synchroton.

Dans une perspective plus large, ce qui a le plus satisfait Schoop dans l'étude, c'est "l'intuition chimique" qui a conduit l'équipe à commencer l'enquête avec GdTe3 en premier lieu. Ils soupçonnaient qu'il y aurait des résultats prometteurs. Mais le fait que GdTe3 les ait rendus si rapidement et catégoriquement est un signe, dit Schoop, que la chimie a des contributions importantes à apporter au domaine de la physique du solide.

"Nous sommes un groupe du département de chimie et nous avons compris que ce matériau devait intéresser des électrons très mobiles basés sur des principes chimiques, " a déclaré Schoop. "Nous réfléchissions à la manière dont les atomes étaient disposés dans ces cristaux et à la manière dont ils devraient être liés les uns aux autres, et non basé sur des moyens physiques, ce qui est souvent la compréhension de l'énergie des électrons basée sur les hamiltoniens.

"Mais nous avons adopté une approche très différente, beaucoup plus lié au dessin d'images, comme le font les chimistes, liés aux orbitales et des choses comme ça, " dit-elle. " Et nous avons réussi avec cette approche. C'est une approche tellement unique et différente de la réflexion sur des matériaux passionnants."