Les chercheurs ont identifié une nouvelle forme de magnétisme dans ce qu'on appelle le graphène magnétique, ce qui pourrait ouvrir la voie à la compréhension de la supraconductivité dans ce type de matériau inhabituel.

Les chercheurs, dirigé par l'Université de Cambridge, ont pu contrôler la conductivité et le magnétisme du thiophosphate de fer (FePS 3 ), un matériau bidimensionnel qui subit une transition d'un isolant à un métal lorsqu'il est comprimé. Cette classe de matériaux magnétiques offre de nouvelles voies pour comprendre la physique des nouveaux états magnétiques et de la supraconductivité.

En utilisant de nouvelles techniques à haute pression, les chercheurs ont montré ce qui arrive au graphène magnétique lors de la transition d'isolant à conducteur et dans son état métallique non conventionnel, réalisé uniquement dans des conditions d'ultra-haute pression. Lorsque le matériau devient métallique, il reste magnétique, ce qui est contraire aux résultats précédents et fournit des indices sur le fonctionnement de la conduction électrique dans la phase métallique. La phase magnétique à haute pression nouvellement découverte forme probablement un précurseur de la supraconductivité, il est donc essentiel de comprendre ses mécanismes.

leurs résultats, publié dans la revue Examen physique X , suggèrent également un moyen de concevoir de nouveaux matériaux pour avoir des propriétés de conduction et magnétiques combinées, qui pourraient être utiles dans le développement de nouvelles technologies telles que la spintronique, qui pourrait transformer la façon dont les ordinateurs traitent l'information.

Les propriétés de la matière peuvent considérablement changer avec le changement de dimensionnalité. Par exemple, graphène, nanotubes de carbone, le graphite et le diamant sont tous constitués d'atomes de carbone, mais ont des propriétés très différentes en raison de leur structure et de leur dimensionnalité différentes.

"Mais imaginez si vous pouviez également changer toutes ces propriétés en ajoutant du magnétisme, " a déclaré le premier auteur, le Dr Matthew Coak, qui est basé conjointement au laboratoire Cavendish de Cambridge et à l'Université de Warwick. "Un matériau qui pourrait être mécaniquement flexible et former un nouveau type de circuit pour stocker des informations et effectuer des calculs. C'est pourquoi ces matériaux sont si intéressants, et parce qu'ils changent radicalement leurs propriétés lorsqu'ils sont mis sous pression afin que nous puissions contrôler leur comportement."

Dans une étude précédente de Sebastian Haines du Laboratoire Cavendish de Cambridge et du Département des sciences de la Terre, les chercheurs ont établi que le matériau devient un métal à haute pression, et décrit comment la structure cristalline et la disposition des atomes dans les couches de ce matériau 2D changent au cours de la transition.

"La pièce manquante est restée cependant, le magnétisme, " a déclaré Coak. " Sans techniques expérimentales capables de sonder les signatures du magnétisme dans ce matériau à des pressions aussi élevées, notre équipe internationale a dû développer et tester nos propres nouvelles techniques pour que cela soit possible."

Les chercheurs ont utilisé de nouvelles techniques pour mesurer la structure magnétique jusqu'à des pressions record, en utilisant des enclumes de diamant et des neutrons spécialement conçus pour agir comme la sonde du magnétisme. Ils ont alors pu suivre l'évolution du magnétisme jusqu'à l'état métallique.

"À notre surprise, nous avons constaté que le magnétisme survit et est en quelque sorte renforcé, " co-auteur Dr. Siddharth Saxena, chef de groupe au Laboratoire Cavendish. "C'est inattendu, car les électrons nouvellement itinérants dans un matériau nouvellement conducteur ne peuvent plus être verrouillés sur leurs atomes de fer parents, générant des moments magnétiques là-bas, à moins que la conduction ne provienne d'une source inattendue."

Dans leur précédent article, les chercheurs ont montré que ces électrons étaient "gelés" dans un sens. Mais quand ils les ont fait couler ou bouger, ils ont commencé à interagir de plus en plus. Le magnétisme survit, mais se modifie en de nouvelles formes, donnant naissance à de nouvelles propriétés quantiques dans un nouveau type de métal magnétique.

Comment se comporte un matériau, qu'il soit conducteur ou isolant, est principalement basé sur la façon dont les électrons, ou facturer, se déplacer. Cependant, il a été démontré que le « spin » des électrons est la source du magnétisme. La rotation fait que les électrons se comportent un peu comme de minuscules barres magnétiques et pointent d'une certaine manière. Le magnétisme issu de l'arrangement des spins des électrons est utilisé dans la plupart des dispositifs de mémoire :il est important de l'exploiter et de le contrôler pour développer de nouvelles technologies telles que la spintronique, qui pourrait transformer la façon dont les ordinateurs traitent l'information.

"La combinaison des deux, la charge et le spin, est la clé du comportement de ce matériau, " a déclaré le co-auteur Dr David Jarvis de l'Institut Laue-Langevin, La France, qui a réalisé ce travail comme base de son doctorat. études au Laboratoire Cavendish. "Trouver ce type de multifonctionnalité quantique est un autre pas en avant dans l'étude de ces matériaux."

"Nous ne savons pas exactement ce qui se passe au niveau quantique, mais en même temps, nous pouvons le manipuler, " dit Saxena. " C'est comme ces fameuses " inconnues inconnues " :nous avons ouvert une nouvelle porte aux propriétés de l'information quantique, mais nous ne savons pas encore quelles pourraient être ces propriétés."

Il y a plus de composés chimiques potentiels à synthétiser que ne pourraient jamais être pleinement explorés et caractérisés. Mais en sélectionnant et en ajustant soigneusement les matériaux aux propriétés spéciales, il est possible de montrer la voie vers la création de composés et de systèmes, mais sans avoir à appliquer d'énormes pressions.

En outre, l'acquisition d'une compréhension fondamentale de phénomènes tels que le magnétisme de faible dimension et la supraconductivité permet aux chercheurs de faire les prochains pas dans la science et l'ingénierie des matériaux, avec un potentiel particulier en efficacité énergétique, génération et stockage.

Quant au cas du graphène magnétique, les chercheurs prévoient ensuite de poursuivre la recherche de la supraconductivité au sein de ce matériau unique. "Maintenant que nous avons une idée de ce qui arrive à ce matériau à haute pression, nous pouvons faire des prédictions sur ce qui pourrait arriver si nous essayons d'ajuster ses propriétés en ajoutant des électrons libres en le comprimant davantage, " dit Coak.

"Ce que nous poursuivons, c'est la supraconductivité, " a déclaré Saxena. " Si nous pouvons trouver un type de supraconductivité lié au magnétisme dans un matériau bidimensionnel, cela pourrait nous donner une chance de résoudre un problème qui remonte à des décennies."