Les physiciens de l'Université nationale de Singapour ont développé un capteur de champ magnétique bidimensionnel (2-D) sensible, qui peut potentiellement améliorer la détection de domaines magnétiques à l'échelle nanométrique pour les applications de stockage de données.

Magnétorésistance (MR), la variation de la résistance électrique d'un matériau due à l'influence d'un champ magnétique extérieur, a été largement utilisé dans les capteurs magnétiques, mémoires magnétiques et disques durs. Cependant, dans les capteurs magnétiques traditionnels tridimensionnels (3D) à base de matériaux qui utilisent des vannes de spin géantes MR (GMR) ou à effet tunnel (TMR), le signal détectable du champ magnétique décroît de façon exponentielle avec l'épaisseur de sa couche de détection. Cela limite la résolution spatiale et la sensibilité des capteurs. Par conséquent, un capteur basé sur 2D peut potentiellement améliorer la détection de champs magnétiques minuscules, car la décroissance est limitée à une seule épaisseur de couche atomique.

Le graphène est un matériau mince de l'épaisseur d'un atome avec une mobilité élevée et une capacité de transport de courant élevée. En ajoutant une couche de graphène sur un substrat artificiel en terrasse, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Ariando du Département de physique, NUS a développé un capteur magnétique 2D avec une résistance électrique qui peut multiplier par 50 sa valeur d'origine à température ambiante. C'est dix fois plus élevé que celui rapporté sur les précédents dispositifs de graphène monocouche dans les mêmes conditions.

La détection de domaines magnétiques à l'échelle nanométrique est un défi fondamental. Au fur et à mesure que les domaines magnétiques deviennent plus petits (à l'échelle nanométrique), les dimensions du capteur doivent être réduites en conséquence pour maintenir la haute résolution spatiale et le rapport signal sur bruit. Cependant, pour les capteurs 3D traditionnels à base de matériaux, la réduction de la taille entraînera un bruit magnétique thermique et une instabilité du couple de spin. La récente découverte de l'équipe ouvre la voie au développement de capteurs de champ magnétique 2D pouvant fonctionner à température ambiante pour la détection de domaines magnétiques à l'échelle nanométrique. Cela peut améliorer les performances de la magnétométrie de la sonde à balayage, biodétection, et les applications de stockage magnétique.

Monsieur Junxiong Hu, un doctorat étudiant de l'équipe de recherche, mentionné, "La partie centrale du capteur magnétique 2-D est le graphène en terrasses formé en empilant du graphène sur un substrat atomiquement en terrasses. Le processus est similaire à la pose d'un tapis sur un escalier."

En raison de sa flexibilité, le graphène reproduira également la morphologie de l'escalier. Au cours de ce processus, des ondulations topographiques et des flaques de charge seront induites dans le graphène en terrasse. En présence d'un champ magnétique, le courant dans le graphène en terrasse ne se déplacera pas en ligne droite mais est fortement déformé par les discontinuités à la limite des flaques, provoquant un changement important de sa résistance.

Le professeur Ariando a dit :"Cette technologie a le potentiel de développer la prochaine génération de capteurs hautement sensibles pour la détection des domaines magnétiques à l'échelle nanométrique. Les films de graphène monocouche utilisés pour le capteur peuvent être fabriqués par lots pour l'évolutivité."

L'équipe de recherche a déposé un brevet pour l'invention. Suite à cette étude de preuve de concept, les chercheurs prévoient d'optimiser davantage la géométrie des terrasses et de l'adapter aux techniques de production à grande échelle. Cela augmentera ensuite leurs résultats expérimentaux menant à la fabrication de plaquettes de taille industrielle à usage commercial.