Des chercheurs dirigés par le professeur Pablo Jarillo-Herrero du département de physique du MIT ont montré l'année dernière que la rotation de couches de graphène à structure hexagonale à un "angle magique" particulier pouvait changer les propriétés électroniques du matériau d'un état isolant à un état supraconducteur. Maintenant, des chercheurs du même groupe et leurs collaborateurs ont démontré que dans un matériau ultra-mince différent qui présente également une structure atomique en forme de nid d'abeilles, le trichlorure de chrome (CrCl 3 ) - ils peuvent modifier les propriétés magnétiques du matériau en modifiant l'ordre d'empilement des couches.

Les chercheurs ont retiré des couches bidimensionnelles (2D) de trichlorure de chrome à l'aide de ruban adhésif de la même manière que les chercheurs ont retiré le graphène du graphite. Ensuite, ils ont étudié les propriétés magnétiques du trichlorure de chrome 2-D à l'aide de l'effet tunnel électronique. Ils ont découvert que le magnétisme est différent dans les cristaux 2D et 3D en raison de différents arrangements d'empilement entre les atomes dans les couches adjacentes.

A hautes températures, chaque atome de chrome dans le trichlorure de chrome a un moment magnétique qui fluctue comme une minuscule aiguille de boussole. Les expériences montrent que lorsque la température descend en dessous de 14 kelvins (-434,47 degrés Fahrenheit), profondément dans la plage de température cryogénique, ces moments magnétiques se figent en un motif ordonné, pointant dans des directions opposées en couches alternées (antiferromagnétisme). La direction magnétique de toutes les couches de trichlorure de chrome peut être alignée en appliquant un champ magnétique. Mais les chercheurs ont découvert que sous sa forme 2D, cet alignement nécessite une force magnétique 10 fois plus forte que dans le cristal 3-D. Les résultats ont été récemment publiés en ligne dans Physique de la nature .

"Ce que nous constatons, c'est qu'il est 10 fois plus difficile d'aligner les couches dans la limite mince par rapport à la masse, que nous mesurons par effet tunnel électronique dans un champ magnétique, " déclare Dahlia R. Klein, étudiante diplômée en physique du MIT, un chercheur diplômé de la National Science Foundation et l'un des principaux auteurs de l'article. Les physiciens appellent l'énergie nécessaire pour aligner la direction magnétique des couches opposées l'interaction d'échange intercouche. "Une autre façon de penser est que l'interaction d'échange intercouche est de savoir à quel point les couches adjacentes veulent être anti-alignées, " suggère l'auteur principal et postdoctorant du MIT David MacNeill.

Les chercheurs attribuent ce changement d'énergie à la disposition physique légèrement différente des atomes dans le chlorure de chrome 2-D. "Les atomes de chrome forment une structure en nid d'abeille dans chaque couche, il s'agit donc essentiellement d'empiler les nids d'abeilles de différentes manières, " dit Klein. " Le plus important, c'est que nous prouvons que les ordres magnétiques et d'empilement sont très fortement liés dans ces matériaux. "

"Notre travail met en évidence comment les propriétés magnétiques des aimants 2D peuvent différer très sensiblement de leurs homologues 3D, " dit l'auteur principal Pablo Jarillo-Herrero, le professeur de physique Cecil et Ida Green. "Cela signifie que nous avons maintenant une nouvelle génération de matériaux magnétiques hautement accordables, avec des implications importantes à la fois pour les nouvelles expériences de physique fondamentale et les applications potentielles en spintronique et en technologies de l'information quantique."

Les couches sont très faiblement couplées dans ces matériaux, connu sous le nom d'aimants de van der Waals, c'est ce qui permet de retirer facilement une couche du cristal 3D avec du ruban adhésif. "Comme avec le graphène, les liaisons au sein des couches sont très fortes, mais il n'y a que de très faibles interactions entre couches adjacentes, afin que vous puissiez isoler des échantillons à quelques couches à l'aide de ruban adhésif, ", dit Klein.

MacNeill et Klein ont cultivé les échantillons de chlorure de chrome, dispositifs nanoélectroniques construits et testés, et analysé leurs résultats. Les chercheurs ont également découvert que lorsque le trichlorure de chrome est refroidi de la température ambiante aux températures cryogéniques, Les cristaux 3-D du matériau subissent une transition structurelle que les cristaux 2-D ne subissent pas. Cette différence structurelle explique l'énergie plus élevée requise pour aligner le magnétisme dans les cristaux 2-D.

Les chercheurs ont mesuré l'ordre d'empilement des couches 2D à l'aide de la spectroscopie Raman et ont développé un modèle mathématique pour expliquer l'énergie impliquée dans le changement de direction magnétique. Le co-auteur et postdoctorant de l'Université Harvard, Daniel T. Larson, a déclaré avoir analysé un graphique de données Raman qui montrait des variations dans l'emplacement des pics avec la rotation de l'échantillon de trichlorure de chrome, déterminer que la variation était causée par le motif d'empilement des couches. « Capitalisant sur cette connexion, Dahlia et David ont pu utiliser la spectroscopie Raman pour apprendre des détails sur la structure cristalline de leurs appareils qui seraient très difficiles à mesurer autrement, " Larson explique. " Je pense que cette technique sera un ajout très utile à la boîte à outils pour étudier les structures et les dispositifs ultra-minces. " Qian Song, étudiant diplômé du Département de science et génie des matériaux, a réalisé les expériences de spectroscopie Raman dans le laboratoire de l'assistant du MIT. professeur de physique Riccardo Comin, tous deux co-auteurs de l'article.

"Cette recherche met vraiment en évidence l'importance de l'ordre d'empilement pour comprendre comment ces aimants de van der Waals se comportent dans la limite mince, ", dit Klein.

MacNeill ajoute, "La question de savoir pourquoi les cristaux 2D ont des propriétés magnétiques différentes nous intriguait depuis longtemps. Nous étions très excités de comprendre enfin pourquoi cela se produit, et c'est à cause de la transition structurelle."

Ce travail s'appuie sur deux années de recherches antérieures sur les aimants 2D dans lesquelles le groupe de Jarillo-Herrero a collaboré avec des chercheurs de l'Université de Washington, dirigé par le professeur Xiaodong Xu, qui exerce des fonctions conjointes dans les départements de Science et Génie des Matériaux, La physique, et Génie électrique et informatique, et d'autres. Leur travail, qui a été publié dans un La nature lettre en juin 2017, a montré pour la première fois qu'un matériau différent avec une structure cristalline similaire, le triiodure de chrome (CrI 3 ) - se comportait également différemment dans la forme 2-D que dans la masse, avec des échantillons à quelques couches montrant un antiferromagnétisme contrairement aux cristaux ferromagnétiques 3-D.

Le groupe de Jarillo-Herrero a continué à montrer en mai 2018 Science papier que le triiodure de chrome présentait un changement brusque de résistance électrique en réponse à un champ magnétique appliqué à basse température. Ce travail a démontré que l'effet tunnel électronique est une sonde utile pour étudier le magnétisme des cristaux 2-D. Klein et MacNeill ont également été les premiers auteurs de cet article.

Le professeur Xiaodong Xu de l'Université de Washington a déclaré à propos des dernières découvertes :"Le travail présente une approche très intelligente, à savoir les mesures combinées d'effet tunnel avec la spectroscopie Raman résolue en polarisation. Le premier est sensible à l'antiferromagnétisme intercalaire, tandis que ce dernier est une sonde sensible de la symétrie cristalline. Cette approche donne une nouvelle méthode pour permettre aux autres membres de la communauté de découvrir les propriétés magnétiques des aimants en couches. »

"Cet ouvrage est de concert avec plusieurs autres ouvrages récemment publiés, " dit Xu. " Ensemble, ces travaux révèlent l'opportunité unique offerte par les aimants en couches de van der Waals, à savoir l'ingénierie de l'ordre magnétique via le contrôle de l'ordre d'empilement. Il est utile pour la création arbitraire de nouveaux états magnétiques, ainsi que pour une application potentielle dans des dispositifs magnétiques reconfigurables."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.