Nous connaissons tous l'image des électrons se déplaçant autour du noyau d'un atome et formant des liaisons chimiques dans les molécules et les matériaux. Mais ce que l'on sait moins, c'est que les électrons ont une propriété supplémentaire unique :le spin. Il est difficile de faire une analogie, mais on pourrait décrire grossièrement le spin des électrons comme une toupie tournant autour de son axe. Mais ce qui est encore plus intéressant, c'est que lorsque les spins des électrons s'alignent dans un matériau, cela conduit au phénomène bien connu du magnétisme.

L'un des domaines les plus avancés de la technologie est la spintronique, un effort encore expérimental pour concevoir et construire des dispositifs, tels que des ordinateurs et des mémoires, qui fonctionnent sur le spin des électrons plutôt que sur le simple mouvement des charges (que nous appelons courant électrique). Mais de telles applications exigent de nouveaux matériaux magnétiques dotés de nouvelles propriétés. Par exemple, ce serait un énorme avantage si le magnétisme se produisait dans une couche de matériau extrêmement mince - les matériaux dits bidimensionnels (2-D) qui incluent le graphène, qui est essentiellement une couche de graphite d'épaisseur atomique.

Cependant, trouver des matériaux magnétiques 2D est un défi. Iodure de chrome (CrI 3 ) a récemment révélé de nombreuses propriétés intéressantes, mais il se dégrade rapidement dans les conditions ambiantes et son caractère isolant ne promet pas grand chose en termes d'applications en spintronique, dont la plupart nécessitent des matériaux magnétiques métalliques et stables à l'air.

Maintenant, les groupes d'Andras Kis et Oleg Yazyev à l'EPFL ont trouvé un nouvel aimant 2-D métallique et stable à l'air :le diséléniure de platine (PtSe 2 ). La découverte a été faite par Ahmet Avsar, un post-doctorant dans le labo de Kis, qui se penchait en fait sur tout autre chose.

Pour expliquer la découverte du magnétisme dans le PtSe 2 , les chercheurs ont d'abord utilisé des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, une méthode qui modélise et étudie la structure de systèmes complexes à plusieurs électrons, tels que les matériaux et les nanostructures. L'analyse théorique a montré que le magnétisme du PtSe 2 est causée par les soi-disant "défauts" à sa surface, qui sont des irrégularités dans l'arrangement des atomes. « Il y a plus d'une décennie, nous avons trouvé un scénario assez similaire pour les défauts du graphène, mais PtSe 2 a été une surprise totale pour nous, " dit Oleg Yazyev.

Les chercheurs ont confirmé la présence de magnétisme dans le matériau grâce à une puissante technique de mesure de la magnétorésistance. Le magnétisme était surprenant, puisque PtSe parfaitement cristallin 2 est censé être non magnétique. "C'est la première fois que l'on observe un magnétisme induit par défaut dans ce type de matériaux 2D, " dit Andras Kis. " Il étend la gamme des ferromagnétiques 2D à des matériaux qui seraient autrement négligés par les techniques massives d'exploration de bases de données. "

Retrait ou ajout d'une couche de PtSe 2 est suffisant pour changer la façon dont les spins se parlent à travers les couches. Et ce qui le rend encore plus prometteur, c'est le fait que son magnétisme, même dans la même couche, peut être manipulé davantage en plaçant stratégiquement des défauts sur sa surface - un processus connu sous le nom d'« ingénierie des défauts » qui peut être accompli en irradiant la surface du matériau avec des faisceaux d'électrons ou de protons.

"De tels aimants métalliques ultra-minces pourraient être intégrés dans les dispositifs de mémoire à accès aléatoire magnétique à couple de transfert de spin (STT MRAM) de prochaine génération", dit Ahmet Avsar. "Les aimants 2-D pourraient réduire le courant critique requis pour changer la polarité magnétique, et aidez-nous à poursuivre la miniaturisation. Ce sont les défis majeurs que les entreprises espèrent résoudre. »