De nouvelles recherches sur un semi-conducteur atomiquement mince démontrent comment le magnétisme d'un matériau peut être contrôlé en utilisant de petites quantités de contrainte. Publié dans Nature Nanotechnologie , cette étude fournit des informations clés pour des applications allant des nouveaux dispositifs spintroniques aux disques durs plus rapides. Cette recherche a été menée par l'étudiant diplômé Zhuoliang Ni et dirigée par le professeur assistant Liang Wu en collaboration avec Penn's Charlie Kane et Eugene Mele, ainsi que des chercheurs de l'Université du Tennessee, Knoxville, Université A&M du Texas, l'Université de Fribourg, et le Laboratoire national d'Oak Ridge.

Le laboratoire de Wu se concentre principalement sur les expériences avec des matériaux topologiques. Mais, avec des études récentes sur les effets photogalvaniques de deux alliages métalliques et la découverte de particules exotiques dans le monosiliciure de cobalt, le dernier article du laboratoire sur le triséléniure de manganèse phosphore (MnPSe3), un matériau semi-conducteur, approfondit les concepts autour de la symétrie, une caractéristique physique ou mathématique d'un système qui ne change pas lorsqu'il est soumis à certaines transformations. La symétrie est une idée clé en physique, des lois de conservation au comportement des particules, et est central dans la compréhension des matériaux qui ont des propriétés contrôlables, ou commutable, états magnétiques tels que MnPSe3.

Il existe différents types d'aimants. Pour les matériaux ferromagnétiques, les électrons tournent tous dans la même direction et imprègnent le matériau d'un magnétisme spontané qui leur permet d'adhérer à certains types de métaux. En revanche, matériaux antiferromagnétiques, comme MnPSe3, ont un motif avec un nombre égal d'électrons avec des spins ascendants et descendants dans un arrangement antiparallèle. Cela annule leurs moments magnétiques globaux, ce qui signifie qu'ils n'ont pas de champ parasite externe comme les matériaux ferromagnétiques ; cependant, ils ont encore des électrons avec des orientations de spin variables.

Les disques durs existants reposent sur des matériaux ferromagnétiques, où les changements dans les directions du spin de l'électron représentent les bits, ou les zéros et les uns, qui composent la mémoire, mais il existe un intérêt pour le développement de dispositifs de mémoire à partir de matériaux antiferromagnétiques. Par exemple, les informations stockées dans les dispositifs ferromagnétiques peuvent être perdues s'il y a un autre champ magnétique présent. Ces appareils sont également limités dans la rapidité avec laquelle ils peuvent fonctionner par le temps qu'il faut pour changer manuellement un peu, dans la gamme des nanosecondes. Matériaux antiferromagnétiques, d'autre part, sont capables de changer leurs orientations de rotation beaucoup plus rapidement, dans la gamme des picosecondes, et sont également beaucoup moins sensibles aux champs magnétiques externes.

Mais si les matériaux antiferromagnétiques présentent certains avantages, travailler avec ce type de matériel, en particulier celui qui est bidimensionnel, est techniquement difficile, dit Wu. Pour étudier ce matériel, Ni et Wu ont d'abord dû développer un moyen de mesurer des signaux infimes sans fournir trop de puissance qui endommagerait le matériau atomiquement mince. "En utilisant un compteur de photons, nous avons pu réduire le bruit, ", dit Wu. "C'est la percée technique qui nous a permis de détecter l'antiferromagnétisme dans la monocouche."

Grâce à leur nouvelle approche d'imagerie, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient "commuter" le matériau pour qu'il soit dans une phase antiferromagnétique à basse température. Ils ont également constaté que le matériau avait moins d'états, semblable aux bits utilisés dans la mémoire de l'ordinateur, que prévu. Les chercheurs n'ont observé que deux états même si, en fonction de sa symétrie de rotation, il était prévu qu'il y ait six états.

Wu s'est tourné vers Kane et Mele pour proposer une théorie qui pourrait aider à expliquer ces résultats inattendus, et grâce à cette collaboration a réalisé l'impact significatif que la contrainte latérale, comme l'étirement ou le cisaillement, pourrait avoir sur sa symétrie. "Un échantillon parfait a une symétrie de rotation triple, mais si quelque chose tire dessus ce n'est plus pareil si tu le fais tourner de 120°, " dit Kane. " Une fois que Liang a suggéré qu'il pourrait y avoir une tension, il était immédiatement évident en tant que théoricien que deux des six domaines devaient être choisis."

Après des expériences de suivi qui ont confirmé leur hypothèse, les chercheurs ont en outre été surpris de voir à quel point une petite quantité de contrainte pouvait être puissante pour modifier les propriétés du matériau. "Autrefois, les gens ont utilisé la tension pour changer les directions de rotation, mais dans notre cas, ce qui est important, c'est qu'une infime quantité de tension puisse contrôler la rotation, et c'est parce que le rôle de la déformation est vraiment fondamental dans la transition de phase dans notre cas, " dit Wu.

Avec cette nouvelle idée, les chercheurs disent que cette étude pourrait être un point de départ pour mieux contrôler les propriétés antiferromagnétiques en utilisant de petits changements de contrainte. La déformation est également une propriété beaucoup plus facile à contrôler dans cette classe de matériaux, qui nécessitent actuellement un champ magnétique massif - de l'ordre de plusieurs tesla - pour changer la direction du spin des électrons et pourraient être une sorte de cadran ou de bouton qui pourrait changer l'ordre magnétique, ou le modèle des spins de l'électron.

"L'absence de champs parasites dans les matériaux antiferromagnétiques signifie que vous n'avez pas de chose macroscopique que vous pouvez utiliser pour manipuler le moment, " dit Mele, "Mais il existe un certain degré de liberté interne qui vous permet de le faire en vous couplant directement à la commande."

Pour approfondir ce matériau, Ni travaille sur plusieurs expériences de suivi. Cela inclut de voir si les champs électriques et les impulsions peuvent changer la direction du spin et d'évaluer l'utilisation des impulsions térahertz, la fréquence de résonance naturelle des matériaux antiferromagnétiques, en contrôlant à la fois la direction du spin des électrons et la vitesse de commutation. "Nous pouvons éventuellement utiliser le térahertz pour contrôler les spins, " Ni dit à propos de ce système, qui est aussi un régime d'expertise pour le laboratoire Wu. "Le terahertz est beaucoup plus rapide que le gigahertz, et pour les spins antiferromagnétiques, il est possible que nous puissions utiliser le térahertz pour contrôler la commutation ultrarapide d'un état à un autre."

"Les matériaux antiferromagnétiques offrent de nouvelles opportunités passionnantes pour la création de dispositifs spintroniques plus rapides pour le traitement de l'information ainsi que de nouvelles façons de générer efficacement des rayonnements térahertz, qui est la partie du spectre électromagnétique pour les communications sans fil au-delà de la 5G, " dit Joe Qiu, responsable du programme Electronique Solide et Electromagnétique à l'Army Research Office, qui a financé cette étude. "Toutes ces technologies sont importantes pour les futurs systèmes électroniques de l'armée."