Dans le nanomonde, le magnétisme s'est avéré vraiment surprenant. Des matériaux magnétiques 2-D de quelques atomes d'épaisseur seulement pourraient fournir un substrat pour une électronique post-silicium de plus en plus petite. Une équipe de recherche internationale dirigée par Park Je-Geun au Center for Correlated Electron Systems, au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS), vient de publier un article Perspective Review dans La nature présenter les dernières réalisations et le potentiel futur des matériaux magnétiques 2-D van der Waals (vdW), inconnues jusqu'à il y a six ans et qui ont récemment attiré l'attention du monde entier.

Les matériaux VdW sont constitués de piles de couches ultra-minces maintenues ensemble par de faibles liaisons de van der Waals. Le succès du graphène, le matériau vedette de vdW, a incité les scientifiques à rechercher d'autres cristaux 2D dont les couches peuvent être modifiées, ajoutés ou supprimés afin d'introduire de nouvelles propriétés physiques, comme le magnétisme.

Comment les matériaux deviennent-ils magnétiques ?

Chaque électron dans un matériau agit comme une minuscule boussole avec ses propres pôles nord et sud. L'orientation de ces "aiguilles de boussole" détermine l'aimantation. Plus précisement, l'aimantation provient du spin des électrons (moment magnétique) et dépend de la température. Un ferromagnétique, comme un aimant de réfrigérateur standard, acquiert ses propriétés magnétiques en dessous de la température de transition magnétique - température de Curie (Tc). Lorsque tous les moments magnétiques sont alignés, toutes les "aiguilles de boussole" pointent dans la même direction. Par contre, d'autres matériaux sont antiferromagnétiques, ce qui signifie qu'en dessous de la température de transition - appelée température de Neel (TN) - les "aiguilles de la boussole" pointent dans la direction opposée. Pour des températures supérieures à Tc ou TN, les moments atomiques individuels ne sont pas alignés, et les matériaux perdent leurs propriétés magnétiques.

Cependant, la situation peut radicalement changer lors de la réduction des matériaux à l'échelle nanométrique 2-D. Une tranche ultra-mince d'un aimant de réfrigérateur montrera probablement des caractéristiques différentes de l'objet entier. En effet, les matériaux 2D sont plus sensibles aux fluctuations de température, ce qui peut détruire le motif des "aiguilles de boussole" bien alignées. Par exemple, aimants en vrac conventionnels, comme le fer et le nickel, ont un Tc beaucoup plus faible en 2-D qu'en 3-D. Dans d'autres cas, le magnétisme en 2-D dépend vraiment de l'épaisseur :le triiodure de chrome (CrI3) est ferromagnétique en monocouche, anti-ferromagnétique comme bicouche, et encore ferromagnétique comme tricouche. Cependant, il y a d'autres exemples, comme le trithiohypophosphate de fer (FePS3), qui conserve remarquablement son ordre antiferromagnétique intact jusqu'à la monocouche.

La clé pour produire des matériaux magnétiques 2D est d'apprivoiser leurs fluctuations de spin. Les matériaux bidimensionnels avec une direction de spin préférée (anisotropie magnétique) sont plus susceptibles d'être magnétiques. L'anisotropie peut également être introduite artificiellement en ajoutant des défauts, dopants magnétiques ou en jouant sur l'interaction entre le spin de l'électron et le champ magnétique généré par le mouvement de l'électron autour du noyau. Cependant, ce sont toutes des méthodes techniquement difficiles.

Park l'explique par une analogie :« C'est comme superviser un groupe d'enfants agités et qui se conduisent mal, où chaque enfant représente une boussole atomique. Vous voulez les aligner, mais ils préfèrent jouer. C'est une tâche difficile, comme vous le dirait n'importe quel enseignant de maternelle. Il faudrait connaître précisément les mouvements de chacun d'eux dans le temps et dans l'espace. Et pour les contrôler, vous devez répondre sur-le-champ, ce qui est techniquement très difficile."

Plusieurs questions fondamentales peuvent être résolues grâce aux matériaux vdW magnétiques 2-D. En particulier, Les matériaux vdW sont un banc d'essai pour trouver des preuves expérimentales de certains modèles mathématiques et physiques qui restent encore non résolus. Ces modèles expliquent le comportement de transition magnétique par rapport au spin. En particulier, le modèle d'Ising décrit des spins ("aiguilles de boussole") contraints de pointer vers le haut ou vers le bas, perpendiculaire au plan. Le modèle XY permet aux spins de pointer dans n'importe quelle direction du plan, et enfin, dans le modèle Heisenberg, les tours sont libres de pointer dans n'importe quel x, oui, sens z.

En 2016, Les scientifiques d'IBS du groupe du professeur Park ont ​​trouvé la première preuve expérimentale de la solution Onsager pour le modèle d'Ising. Ils ont découvert que le Tc de FePS3 est de 118 Kelvin, ou moins 155 degrés Celsius, en 3D et en 2D. Cependant, les modèles XY et Heisenberg en 2D ont rencontré des barrières plus expérimentales, et n'ont toujours pas de preuve après 50 ans.

"La découverte du graphène m'a amené à me demander si je pouvais introduire le magnétisme dans des matériaux 2D similaires au graphène, " explique Park. " Les physiciens ont hérité du défi d'étudier et d'expliquer les propriétés physiques du monde bidimensionnel. Malgré son importance académique et son applicabilité, ce domaine est très peu exploré, " il ajoute.

Les scientifiques souhaitent également explorer des moyens de contrôler et de manipuler électriquement les propriétés magnétiques de ces matériaux, optiquement et mécaniquement. Leur minceur les rend plus sensibles aux stimuli externes. C'est une limite, mais peut aussi être un potentiel. Par exemple, le magnétisme peut également être induit ou réglé par contrainte, ou en disposant les couches superposées selon un motif spécifique, connu sous le nom de motif moiré.

Applications attendues des matériaux magnétiques vdW

Bien que plusieurs questions fondamentales attendent toujours une réponse, le contrôle et la modification des spins et des structures magnétiques des électrons devraient conduire à plusieurs résultats souhaitables. Cette La nature Perspective Review répertorie les directions de recherche possibles pour l'avenir.

L'une des applications les plus recherchées est l'utilisation de spin pour stocker et coder des informations. Les rotations contrôlées pourraient remplacer les plateaux de disque dur actuels, et même devenir la clé de l'informatique quantique. En particulier, la spintronique vise à contrôler le spin des électrons. Les matériaux bidimensionnels sont de bons candidats, car ils nécessiteraient moins de consommation d'énergie par rapport à leurs homologues 3D. Une hypothèse intéressante est de stocker la mémoire à long terme dans des motifs de pôles magnétiques orientés appelés skyrmions dans des matériaux magnétiques.

Potentiellement, Les matériaux vdW pourraient dévoiler un état exotique de la matière, comme les liquides de spin quantique, un état hypothétique de la matière caractérisé par des "aiguilles de boussole" désordonnées même à des températures extrêmement basses, et devrait abriter les insaisissables fermions de Majorana, particules qui ont été théorisées, mais jamais observé.

En outre, bien que la supraconductivité et le magnétisme ne puissent pas être facilement intégrés dans le même matériau, bricoler avec l'ordre des tours pourrait produire de nouveaux, supraconducteurs non conventionnels.

Dernièrement, bien que la liste des matériaux vdW ait augmenté très rapidement ces dernières années, moins de 10 matériaux vdW magnétiques ont été découverts à ce jour. Ingénierie de plus de matériaux, notamment des matériaux utilisables à température ambiante, est également un objectif important des physiciens de la matière condensée.