une couche de graphène (en haut) avec du cobalt (en bas à gauche) et du nickel (en bas à droite). Les configurations de spin sont représentées par des flèches. Crédit: Matériaux naturels
Des chercheurs travaillant au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy ont couplé du graphène, une forme monocouche de carbone, avec de fines couches de matériaux magnétiques comme le cobalt et le nickel pour produire un comportement exotique des électrons qui pourrait être utile pour les applications informatiques de nouvelle génération.
Le travail a été réalisé en collaboration avec des scientifiques français dont le lauréat du prix Nobel Albert Fert, professeur émérite à l'Université Paris-Sud et directeur scientifique d'un laboratoire de recherche en France. L'équipe a effectué des mesures clés à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science axée sur la recherche en nanosciences.
Fert a partagé le prix Nobel de physique en 2007 pour ses travaux sur la compréhension d'un effet magnétique dans les matériaux multicouches qui ont conduit à une nouvelle technologie de lecture des données sur les disques durs, par exemple, et a donné naissance à un nouveau domaine étudiant comment exploiter et contrôler une propriété fondamentale connue sous le nom de "spin" dans les électrons pour conduire un nouveau type de basse énergie, mémoire d'ordinateur à grande vitesse et technologie logique connue sous le nom de spintronique.
Dans ce dernier ouvrage, publié en ligne le 28 mai dans la revue Matériaux naturels , l'équipe de recherche a montré comment cette propriété de spin - analogue à une aiguille de boussole qui peut être réglée pour faire face au nord ou au sud - est affectée par l'interaction du graphène avec les couches magnétiques.
Les chercheurs ont découvert que les propriétés électroniques et magnétiques du matériau créent de minuscules motifs tourbillonnants où les couches se rencontrent, et cet effet donne aux scientifiques l'espoir de contrôler la direction de ces tourbillons et d'exploiter cet effet pour une forme d'applications spintroniques connues sous le nom de "spin-orbitronique" dans les matériaux ultrafins. Le but ultime est de stocker et de manipuler rapidement et efficacement des données à très petite échelle, et sans l'accumulation de chaleur qui est un problème courant pour la miniaturisation des appareils informatiques.
Typiquement, les chercheurs travaillant à produire ce comportement pour les électrons dans les matériaux ont couplé des métaux lourds et coûteux comme le platine et le tantale avec des matériaux magnétiques pour obtenir de tels effets, mais le graphène offre une alternative potentiellement révolutionnaire puisqu'il est ultrafin, poids léger, a une conductivité électrique très élevée, et peut également servir de couche protectrice pour les matériaux magnétiques sujets à la corrosion.
« Vous pourriez penser à remplacer les disques durs des ordinateurs par tous les périphériques à semi-conducteurs - aucune pièce mobile - en utilisant uniquement des signaux électriques, " a déclaré Andreas Schmid, un scientifique de la Molecular Foundry qui a participé à la recherche. "Une partie de l'objectif est d'obtenir une consommation d'énergie plus faible et un stockage de données non volatile."
Les dernières recherches représentent un premier pas vers cet objectif, Schmid a noté, et une prochaine étape consiste à contrôler les caractéristiques magnétiques à l'échelle nanométrique, appelé skyrmions, qui peuvent présenter une propriété connue sous le nom de chiralité qui les fait tourbillonner dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse.
Dans des matériaux stratifiés plus conventionnels, les électrons voyageant à travers les matériaux peuvent agir comme un "vent d'électrons" qui modifie les structures magnétiques comme un tas de feuilles soufflées par un vent fort, dit Schmid.
Dans ces images développées à l'aide de l'instrument SPLEEM au Berkeley Lab, l'orientation de l'aimantation dans les échantillons contenant du cobalt (Co) et du ruthénium (Ru) est représentée par des flèches blanches. L'image de gauche montre comment l'orientation est modifiée lorsqu'une couche de graphène ("Gr") est ajoutée. La barre d'échelle en bas à droite des deux images est de 1 micron, ou 1 millionième de mètre. Crédit :Berkeley Lab
Mais avec le nouveau matériau en couches de graphène, ses forts effets de spin des électrons peuvent entraîner des textures magnétiques de chiralité opposée dans différentes directions en raison de "l'effet Hall de spin, " qui explique comment les courants électriques peuvent affecter le spin et vice versa. Si cette chiralité peut être universellement alignée sur un matériau et retournée de manière contrôlée, les chercheurs pourraient l'utiliser pour traiter des données.
"Les calculs effectués par d'autres membres de l'équipe montrent que si vous prenez différents matériaux magnétiques et du graphène et construisez un empilement multicouche de nombreuses structures répétitives, alors ce phénomène et cet effet pourraient être très puissamment amplifiés, " a déclaré Schmid.
Pour mesurer le matériau en couches, les scientifiques ont appliqué la microscopie électronique à basse énergie à polarisation de spin (SPLEEM) à l'aide d'un instrument du Centre national de microscopie électronique de la fonderie moléculaire. C'est l'un des rares dispositifs spécialisés dans le monde qui permettent aux scientifiques de combiner différentes images pour essentiellement cartographier les orientations du profil de magnétisation 3D d'un échantillon (ou vecteur), révélant ses "textures de rotation".
L'équipe de recherche a également créé les échantillons à l'aide du même instrument SPLEEM grâce à un processus précis connu sous le nom d'épitaxie par faisceau moléculaire, et étudié séparément les échantillons en utilisant d'autres formes de techniques de sondage par faisceau d'électrons.
Gong Chen, un co-auteur principal qui a participé à l'étude en tant que chercheur postdoctoral à la Molecular Foundry et est maintenant assistant scientifique du projet au département de physique de l'UC Davis, a déclaré que la collaboration est née d'une discussion avec des scientifiques français lors d'une conférence en 2016 – les deux groupes avaient travaillé indépendamment sur des recherches similaires et avaient réalisé la synergie de travailler ensemble.
Alors que les effets que les chercheurs ont maintenant observés dans les dernières expériences avaient été discutés il y a des décennies dans des articles de revues précédents, Chen a noté que le concept d'utiliser un matériau atomiquement mince comme le graphène à la place d'éléments lourds pour générer ces effets était un nouveau concept.
"Ce n'est que récemment devenu un sujet brûlant, " dit Chen. "Cet effet dans les films minces avait été ignoré pendant longtemps. Ce type d'empilement multicouche est vraiment stable et robuste."
L'utilisation de skyrmions pourrait être révolutionnaire pour le traitement des données, il a dit, parce que l'information peut potentiellement être stockée à des densités beaucoup plus élevées que ce qui est possible avec les technologies conventionnelles, et avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible.
Les chercheurs de Molecular Foundry travaillent maintenant à former le matériau multicouche graphène-magnétique sur un isolant ou un semi-conducteur pour le rapprocher des applications potentielles, dit Schmid.
