Les transitions de phase jouent un rôle important dans les matériaux. Cependant, dans des matériaux bidimensionnels, dont le plus connu est le graphène, les transitions de phase peuvent être très difficiles à étudier. Des chercheurs de l'Université de technologie de Delft et de l'Université de Valence ont développé une nouvelle méthode qui aide à résoudre ce problème. Ils ont suspendu des couches ultrafines de matériaux 2D au-dessus d'une cavité et ont suivi la fréquence de résonance des membranes résultantes à l'aide de lasers. Les résultats de leurs travaux ont été publiés dans Communication Nature .

Depuis la découverte des propriétés électriques et mécaniques exceptionnelles du graphène, le tout premier matériau bidimensionnel (2D), des couches d'une épaisseur allant jusqu'à un seul atome suscitent un intérêt scientifique. De nouvelles fonctionnalités et phénomènes émergent avec les découvertes récentes de types uniques de phases magnétiques et électroniques dans ces couches, y compris supraconducteur, ondes de densité de charge, 2-D Ising phases antiferromagnétiques et ferromagnétiques. Les transitions de phase jouent un rôle important dans les matériaux :par exemple, l'eau est un liquide à température ambiante et gèle en dessous de zéro centigrade, formant un matériau aux propriétés complètement différentes.

Mouvement de résonance

Dans de grands échantillons, il existe plusieurs techniques pour mesurer ces transitions de phase, par exemple en mesurant la chaleur spécifique qui peut montrer des changements brusques à la transition de phase. Cependant, seules quelques méthodes sont disponibles pour étudier ces transitions dans des échantillons atomiquement minces avec une masse inférieure à un picogramme. Ceci est particulièrement difficile pour les antiferromagnétiques isolants ultrafins qui ne se couplent que faiblement aux sondes magnétiques et électroniques.

Des chercheurs de l'Université de technologie de Delft ont maintenant démontré que ces phases peuvent être étudiées en examinant le mouvement de résonance des membranes constituées de ces matériaux 2-D. Ces membranes peuvent être formées en suspendant un cristal ultrafin sur une cavité dans un substrat, créant ainsi un tambour à l'échelle nanométrique. "Nous suivons la fréquence de résonance mécanique de ces membranes à l'aide d'un laser rouge tout en les mettant en mouvement aux fréquences MHz par un laser bleu modulé en puissance", le chercheur Makars Šiškins explique

Expansion soudaine

Quand les chercheurs ont refroidi les membranes de FePS 3 , NiPS 3 et MnPS 3 , ils ont observé un changement soudain de leur fréquence de résonance. Šiškins :« Fait intéressant, ce changement coïncide avec la température à laquelle ces matériaux ordonnent leurs spins magnétiques de manière antiferromagnétique. similaire à la transition de phase du liquide au gaz. Cette dilatation provoque une diminution des contraintes mécaniques dans la membrane, ce qui se traduit par une diminution de la fréquence de résonance, comme dans une corde de guitare.

Le nouveau concept de mesure est applicable à une grande variété de systèmes à membrane mince avec différentes transitions de phase, comme les chercheurs le démontrent en observant l'ordre des ondes de densité de charge dans TaS 2 . "Pour cette raison, nous pensons que notre concept a le potentiel d'être appliqué à l'étude d'une large gamme de matériaux :ferromagnétiques 2D, feuilles d'oxydes complexes 2-D minces et antiferromagnétiques organiques", dit Šiškins. "Nous espérons que cela conduira à une meilleure compréhension de la thermodynamique et des mécanismes d'ordonnancement dans les matériaux bidimensionnels."