PARC Je-Geun, Le directeur associé du Center for Correlated Electron Systems et ses collaborateurs ont démontré le comportement magnétique d'une classe spéciale de matériaux 2-D. Il s'agit de la première preuve expérimentale d'une théorie proposée il y a plus de 70 ans. Le papier, décrivant l'expérience, est publié dans la revue Lettres nano .

Récemment, des scientifiques du monde entier étudient les propriétés et les applications de matériaux 2D extrêmement minces, juste un atome d'épaisseur, comme le graphène. L'étude des propriétés des matériaux 2D par rapport à leurs homologues 3D soulève de nombreuses questions qui suscitent la réflexion; l'un d'eux concerne les transitions de phase magnétiques.

Certains matériaux sont magnétiques en raison du comportement des spins de leurs électrons. En termes simples, spins (nombres quantiques de spin, ou plus précisément leurs moments magnétiques associés), sont comme de minuscules aimants, classiquement représenté par des flèches. A des températures extrêmement basses, ces spins ont tendance à s'aligner, abaissant l'énergie totale des électrons. Cependant, au-dessus d'une température spécifique qui varie d'un matériau à l'autre, les spins perdent leur alignement et deviennent orientés aléatoirement. Semblable à la façon dont la glace perd son ordre interne et devient liquide au-dessus d'une certaine température; Les aimants 3-D perdent également leur aimantation au-dessus d'une température critique. C'est ce qu'on appelle la transition de phase et c'est un processus omniprésent dans les objets 3D.

Cependant, qu'arrive-t-il aux systèmes 1D et 2D à basse température ? Vivent-ils une transition de phase ? En d'autres termes, allons-nous voir une transition du solide au liquide dans une chaîne de molécules d'eau (1D) ou dans une nappe d'eau épaisse d'un atome (2-D) ?

Il y a environ un siècle, le physicien Wilhelm Lenz a demandé à son étudiant Ernst Ising de résoudre ce problème pour les systèmes 1D. Ising l'a expliqué en 1925 et a conclu que les matériaux 1D n'ont pas de transitions de phase. Puis, Ising a essayé de répondre à la même question pour un type particulier de matériaux 2D. Le problème s'est avéré beaucoup plus difficile. La solution est venue en 1943 grâce à Lars Onsager, qui a reçu le prix Nobel de chimie en 1968. En effet, Onsager a constaté que les matériaux, qui suivent le modèle de spin d'Ising, avoir une transition de phase. Cependant, malgré l'énorme importance que cette théorie a dans le développement suivant de l'ensemble de la physique des transitions de phase, il n'a jamais été testé expérimentalement avec un véritable matériau magnétique. "La physique des systèmes 2D est unique et passionnante. La solution Onsager est enseignée dans tous les cours avancés de mécanique statistique. C'est là que j'ai appris ce problème. Cependant, quand j'ai découvert bien plus tard qu'il n'avait pas été testé expérimentalement avec un matériau magnétique, Je pensais que c'était une honte pour les expérimentateurs comme moi, il était donc naturel pour moi de chercher un vrai matériel pour le tester, " explique PARK Je-Geun.

Afin de prouver le modèle Onsager, l'équipe de recherche a produit des cristaux de trithiohypophosphate de fer (FePS3) avec une technique appelée transport chimique de vapeur. Les cristaux sont constitués de couches liées par des interactions faibles, connu sous le nom d'interactions de Van der Waals. Les couches peuvent être décollées du cristal en utilisant du scotch, de la même manière, le ruban adhésif peut décaper la peinture d'un mur. Les scientifiques ont décollé les couches jusqu'à ce qu'il ne leur reste qu'une seule couche de FePS3 (2-D). « Nous pouvons appeler ces matériaux des matériaux magnétiques de Van der Waals ou du graphène magnétique :ils sont magnétiques et ils ont des liaisons de Van der Waals faciles à cliver entre les couches. Ils sont très rares, et leur physique est encore inexplorée, " dit le professeur.

Bien qu'il existe plusieurs méthodes pour mesurer les propriétés magnétiques des matériaux 3D en vrac, ces techniques n'ont aucune utilité pratique pour mesurer des signaux magnétiques provenant de matériaux monocouches. Par conséquent, l'équipe a utilisé la spectroscopie Raman, une technique normalement utilisée pour mesurer les vibrations à l'intérieur du matériau. Ils ont utilisé les vibrations comme mesure indirecte du magnétisme, plus il y a de vibrations, moins la magnétisation.

L'équipe de Park et ses collègues ont d'abord utilisé la spectroscopie Raman sur du matériau FePS3 3-D en vrac à différentes températures, puis ont testé la monocouche FePS3 2-D. "Le test avec l'échantillon global nous a montré que les signaux Raman peuvent être utilisés comme une sorte d'empreinte digitale de transition de phase à des températures d'environ 118 Kelvin, ou moins 155 degrés Celsius. Avec cette confirmation, nous avons ensuite mesuré l'échantillon monocouche et trouvé les mêmes motifs, " précise Park. " Nous concluons que les FePS3 3-D et 2-D ont la même signature de la transition de phase visible dans le spectre Raman. " Tant dans l'échantillon global que dans la monocouche, Les spins de FePS3' sont ordonnés (antiferromagnétiques) à très basse température, et devenir désordonné (paramagnétique) au-dessus de 118 degrés Kelvin. "Montrer la transition de phase magnétique avec cette expérience tour de force est un beau test pour la solution Onsager, " conclut le physicien.

À l'avenir, l'équipe souhaite étudier d'autres matériaux métalliques de transition 2D, aller au-delà du modèle de spin d'Ising 2D.