Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont découvert une caractéristique surprenante dans les aimants bidimensionnels (2-D), une nouvelle classe de matériaux recevant beaucoup d'attention. Leur découverte est la première vérification qu'un signal longtemps considéré comme dû à des vibrations dans le réseau - la structure du matériau lui-même - est en fait dû à une onde de spins électroniques.

Certains matériaux sont composés de couches qui interagissent très faiblement, qui permet aux scientifiques de séparer ou d'isoler des couches individuelles et d'accéder à des couches atomiquement minces (de l'ordre de quelques nanomètres), Feuilles 2D. Par exemple, le graphène a été le premier matériau 2-D isolé du graphite. Plus les scientifiques en apprennent sur ces matériaux 2D, plus ils sont proches de la réalisation d'applications potentielles, en particulier dans l'électronique de nouvelle génération et même dans l'information quantique.

L'équipe du NIST a publié ses résultats aujourd'hui dans Examen physique B .

Les transistors sont les éléments constitutifs de toute l'électronique moderne, où les informations sont stockées et transférées via le mouvement des électrons. Le flux de ces électrons entraîne la génération d'un échauffement important, c'est pourquoi les ordinateurs portables chauffent avec une utilisation prolongée.

Une perspective pour résoudre ce problème de chaleur est d'utiliser des vagues de spins, appelés magnons, comme support d'information dans les appareils au lieu de déplacer des électrons. Technologie du futur à base de magnons, ou "magnétique, " fonctionnerait alors idéalement avec peu ou pas de chauffage.

Les travaux du NIST jettent les bases d'applications futures en établissant une technique de mesure pour étudier la physique fondamentale des magnons. L'équipe du NIST affirme que les ingénieurs des appareils 2D seront particulièrement enthousiasmés par la fréquence élevée à laquelle le magnon est observé. Ceci est important pour déterminer la vitesse de commutation dans les dispositifs potentiels à base de magnon (par exemple, appareils fonctionnant dans la gamme THz plutôt que dans la gamme GHz).

Une approche unique

L'étude des matériaux 2-D a prospéré dans sa propre branche de la physique de la matière condensée, même si le premier matériau 2D, graphène, n'a été isolé qu'en 2004, a déclaré Angela Hight Walker, chef de projet du NIST. Ces matériaux sont appelés 2-D car bien qu'ils puissent mesurer des micromètres de large, ils sont extrêmement minces - minces comme un seul atome ou 100, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain. Leur épaisseur à l'échelle nanométrique permet une plus grande personnalisation que les matériaux 3D, où des différences dramatiques peuvent être observées même entre une et deux couches du même matériau.

"L'une des choses passionnantes à propos de l'étude de ces matériaux 2D est qu'il y a tellement de façons différentes de les régler, " ou contrôler leur comportement, a déclaré la physicienne du NIST Amber McCreary. "Par exemple, parce qu'ils sont si flexibles physiquement, les chercheurs peuvent appliquer de grandes quantités de contrainte pour modifier leurs propriétés, qui est un mécanisme de réglage que vous n'auriez pas dans un modèle plus épais, matériau plus rigide."

L'utilisation de matériaux 2D permet également aux scientifiques de créer des hétérostructures, des sandwichs de matériaux minces empilés les uns sur les autres couche par couche. Les interactions entre les différentes couches créent également un comportement personnalisable, par exemple, le graphène devient supraconducteur lorsque les couches sont tournées d'un "angle magique" les unes par rapport aux autres.

Mais jusqu'à récemment, personne ne pensait que les matériaux en couches pouvaient être magnétiques lorsque vous réduisez leur taille à la limite 2-D. Puis, il y a quelques années à peine, on a découvert que certains d'entre eux pouvaient, En réalité, garder leur comportement magnétique en une seule couche, et le champ « a explosé d'intérêt, " a déclaré McCreary.

À la suite de cette percée, Hight Walker et McCreary ont immédiatement vu le potentiel d'étudier certains de ces matériaux magnétiques 2D à l'aide de leur système de spectroscopie Raman unique.

La spectroscopie Raman est une technique qui sonde un échantillon avec une lumière laser, puis mesure comment cette lumière est diffusée par l'échantillon, révéler des informations sur un matériau 2D telles que sa structure, défauts, se doper, nombre de couches et couplage entre les couches, et plus. Les chercheurs visualisent les données qu'ils recueillent sous la forme d'un spectre, une représentation graphique de toutes les fréquences mesurées. Un spectre typique aurait des pics représentant un signal fort à certaines fréquences de lumière.

En plus de toutes les capacités de la spectroscopie Raman conventionnelle, le système conçu sur mesure au NIST ajoute la possibilité de suivre simultanément la lumière diffusée en fonction à la fois de la température (jusqu'à 1,6 K) et du champ magnétique (jusqu'à 9 Tesla).

Les scientifiques du NIST ont choisi d'explorer l'aimant 2D FePS3 car son spectre Raman change considérablement lorsqu'il devient magnétique à basse température. À environ 120 K (environ -240 degrés F), les spins de chaque atome de Fe préfèrent s'aligner en face de leur voisin; cette configuration est dite antiferromagnétique, par opposition au ferromagnétique où tous les spins s'alignent dans la même direction.

Au cours de leurs expériences, ils ont découvert que l'un des pics de leur spectre Raman se comportait de manière inattendue.

Une histoire de détective :Magnon ou Phonon ?

Le nœud de ce travail nécessite d'apprécier la différence entre deux types d'excitations collectives, phonons et magnons.

Les phonons sont des vibrations de réseau quantifiées dans un matériau, où le mot quantifié est utilisé pour signifier que seules certaines fréquences de vibrations sont autorisées. Dans cette animation, vous pouvez voir comment cette vibration se propage à travers la structure d'une chaîne d'atomes unidimensionnelle (1D), avec quelques atomes se rapprochant les uns des autres, puis plus loin, que le matériau vibre.

Magnon, d'autre part, n'impliquent pas le mouvement des atomes eux-mêmes. Au lieu, les magnons impliquent des modifications d'une propriété quantique des électrons dans les atomes appelée spin, la caractéristique qui rend les aimants magnétiques. Si vous pensez à chaque atome comme étant une boussole, alors spin est (métaphoriquement) l'aiguille de la boussole. Dans cette métaphore, cependant, la rotation peut pointer à la fois vers le nord (vers le haut) et vers le sud (vers le bas). L'animation ci-dessous montre un dessin animé d'un magnon, ce qui peut arriver lorsque les spins sont perturbés par la lumière laser. Vous pouvez voir comment les flèches ont un mouvement d'ondulation qui est analogue aux spins d'un matériau magnétique dans cet exemple de chaîne 1D. Cette excitation des spins est appelée onde de spin.

Lorsque vous mesurez le spectre Raman des matériaux magnétiques, les phonons et les magnons peuvent apparaître sous forme de pics individuels qui sont indiscernables au début. Il faut des techniques d'enquête avancées, y compris l'étude des caractéristiques tout en suivant simultanément leur réponse à la température et au champ magnétique, pour vraiment discerner les deux. Précédemment, la communauté des chercheurs avait identifié un pic particulier dans le spectre Raman de FePS3 comme un phonon. Mais en changeant la température et la force du champ magnétique, l'équipe du NIST a découvert deux comportements étranges.

D'abord, the frequency change of the peak was larger than expected as a function of temperature. And then when they applied a larger and larger magnetic field, the feature they were tracking surprisingly splits into two peaks.

Neither of these behaviors are expected from a phonon. But they are classic magnon behavior.

"Our study is the first to confirm the presence of a magnon in a 2-D magnet, and our unique experimental capabilities made it possible, " said Thuc Mai, a National Research Council postdoctoral fellow and paper co-author.

Where Do We Go From Here

One of the main takeaways of this work is that other researchers should consider magneto-Raman spectroscopy as a key measurement technique to probe 2-D magnets and other quantum materials, Hight Walker said.

"We know of at least three labs that are adopting similar configurations after hearing us present the details of our unique capabilities, " Hight Walker said. "So it is exciting that people are seeing the promise."

"NIST was the first to leverage our magneto-optical cryostat with such advanced Raman spectroscopy, " said Balázs Sipos, head of customer success at Attocube, a company that develops, produces, and distributes components and systems for nanoscale applications. "We have seen several more labs interested in duplicating their set up to achieve these unique types of measurements."

As new information about these new materials is unraveled, more applications will be realized. À l'heure actuelle, the 2-D magnets are so new that scientists are still diving into the underlying physics. But computing systems based on magnetism instead of electronics could be a potential high-risk, high reward outcome.

"We're doing the groundwork in understanding how optics can be used to study these materials that have been called out as relevant quantum materials for investigation, " Hight Walker said. "As we're beginning to demonstrate, this technique is going to be key for quantum materials metrology."

This story is republished courtesy of NIST. Lisez l'histoire originale ici.