Le développement d'un aimant ultramince qui fonctionne à température ambiante pourrait conduire à de nouvelles applications en informatique et en électronique, telles que la haute densité, mémoires spintroniques compactes et nouveaux outils pour l'étude de la physique quantique.

L'aimant ultrafin, qui a été récemment rapporté dans le journal Communication Nature , pourrait faire de grands progrès dans les mémoires de nouvelle génération, l'informatique, spintronique, et la physique quantique. Il a été découvert par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie et de l'UC Berkeley.

« Nous sommes les premiers à fabriquer un aimant 2-D à température ambiante qui est chimiquement stable dans des conditions ambiantes, " a déclaré l'auteur principal Jie Yao, chercheur à la faculté des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley.

"Cette découverte est passionnante car non seulement elle rend le magnétisme 2D possible à température ambiante, mais il découvre également un nouveau mécanisme pour réaliser des matériaux magnétiques 2-D, " a ajouté Rui Chen, un étudiant diplômé de l'UC Berkeley dans le groupe de recherche Yao et auteur principal de l'étude."

Le composant magnétique des dispositifs de mémoire d'aujourd'hui est généralement constitué de films minces magnétiques. Mais au niveau atomique, ces films magnétiques sont toujours tridimensionnels :des centaines ou des milliers d'atomes d'épaisseur. Depuis des décennies, les chercheurs ont cherché des moyens de fabriquer des aimants 2D plus minces et plus petits et ainsi de permettre le stockage des données à une densité beaucoup plus élevée.

Les réalisations précédentes dans le domaine des matériaux magnétiques 2-D ont apporté des résultats prometteurs. Mais ces premiers aimants 2D perdent leur magnétisme et deviennent chimiquement instables à température ambiante.

"Les aimants 2-D de pointe ont besoin de températures très basses pour fonctionner. Mais pour des raisons pratiques, un datacenter doit fonctionner à température ambiante, " dit Yao. " Théoriquement, nous savons que plus l'aimant est petit, plus la densité de données potentielle du disque est grande. Notre aimant 2D n'est pas seulement le premier qui fonctionne à température ambiante ou plus, mais c'est aussi le premier aimant à atteindre la véritable limite 2D :il est aussi fin qu'un seul atome !"

Les chercheurs affirment que leur découverte ouvrira également de nouvelles opportunités pour étudier la physique quantique. "Notre aimant atomiquement mince offre une plate-forme optimale pour sonder le monde quantique, " Yao a dit. " Il ouvre chaque atome pour examen, ce qui peut révéler comment la physique quantique régit chaque atome magnétique et les interactions entre eux. Avec un aimant en vrac conventionnel où la plupart des atomes magnétiques sont profondément enfouis à l'intérieur du matériau, de telles études seraient assez difficiles à faire. »

La fabrication d'un aimant 2-D qui peut prendre la chaleur

Les chercheurs ont synthétisé le nouvel aimant 2-D, appelé aimant de van der Waals en oxyde de zinc dopé au cobalt, à partir d'une solution d'oxyde de graphène, zinc, et cobalt. Quelques heures de cuisson dans un four de laboratoire conventionnel ont transformé le mélange en une seule couche atomique d'oxyde de zinc avec une poignée d'atomes de cobalt pris en sandwich entre des couches de graphène. Dans une dernière étape, le graphène est brûlé, ne laissant qu'une seule couche atomique d'oxyde de zinc dopé au cobalt.

"Avec notre matériel, il n'y a pas d'obstacle majeur pour l'industrie à adopter notre méthode basée sur les solutions, ", a déclaré Yao. "C'est potentiellement évolutif pour une production de masse à moindre coût."

Pour confirmer que le film 2D obtenu n'a qu'un atome d'épaisseur, Yao et son équipe ont mené des expériences de microscopie électronique à balayage à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab pour identifier la morphologie du matériau, et l'imagerie par microscopie électronique à transmission pour sonder le matériau atome par atome.

Avec la preuve en main que leur matériau 2D n'a vraiment qu'un atome d'épaisseur, les chercheurs sont passés au défi suivant qui a déconcerté les chercheurs pendant des années :démontrer un aimant 2D qui fonctionne avec succès à température ambiante.

Des expériences aux rayons X à la source de lumière avancée de Berkeley Lab ont caractérisé les paramètres magnétiques du matériau 2D à haute température. Des expériences de rayons X supplémentaires à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford du laboratoire national de l'accélérateur du SLAC ont vérifié les structures électroniques et cristallines des aimants 2D synthétisés. Et au Centre des matériaux nanométriques du Laboratoire national d'Argonne, les chercheurs ont imagé la structure cristalline et la composition chimique du matériau 2D en utilisant la microscopie électronique à transmission.

Dans son ensemble, les expériences de laboratoire de l'équipe de recherche ont montré que le système graphène-oxyde de zinc devient faiblement magnétique avec une concentration de 5 à 6 % d'atomes de cobalt. L'augmentation de la concentration d'atomes de cobalt à environ 12 % donne un aimant très puissant.

A la surprise des chercheurs, une concentration d'atomes de cobalt dépassant 15% déplace l'aimant 2-D dans un état quantique exotique de "frustration, " où différents états magnétiques au sein du système 2-D sont en compétition les uns avec les autres.

Et contrairement aux aimants 2-D précédents, qui perdent leur magnétisme à température ambiante ou supérieure, les chercheurs ont découvert que le nouvel aimant 2-D fonctionne non seulement à température ambiante mais aussi à 100 degrés Celsius (212 degrés Fahrenheit).

"Notre système magnétique 2D montre un mécanisme distinct par rapport aux précédents aimants 2D, " a déclaré Chen. " Et nous pensons que ce mécanisme unique est dû aux électrons libres dans l'oxyde de zinc. "

Nord géographique :les électrons libres maintiennent les atomes magnétiques sur la bonne voie

Lorsque vous commandez à votre ordinateur d'enregistrer un fichier, ces informations sont stockées sous la forme d'une série de uns et de zéros dans la mémoire magnétique de l'ordinateur, comme le disque dur magnétique ou une mémoire flash. Et comme tous les aimants, les mémoires magnétiques contiennent des aimants microscopiques à deux pôles :nord et sud, dont les orientations suivent la direction d'un champ magnétique extérieur. Les données sont écrites ou codées lorsque ces minuscules aimants sont retournés dans les directions souhaitées.

Selon Chen, les électrons libres de l'oxyde de zinc pourraient servir d'intermédiaire pour garantir que les atomes de cobalt magnétique du nouveau dispositif 2D continuent de pointer dans la même direction et restent ainsi magnétiques, même lorsque l'hôte, dans ce cas l'oxyde de zinc semi-conducteur, est un matériau non magnétique.

"Les électrons libres sont des constituants des courants électriques. Ils se déplacent dans le même sens pour conduire l'électricité, " Yao a ajouté, comparer le mouvement des électrons libres dans les métaux et les semi-conducteurs au flux de molécules d'eau dans un courant d'eau.

Les chercheurs disent que le nouveau matériau, qui peut être plié dans presque n'importe quelle forme sans se casser, et est 1 millionième de l'épaisseur d'une seule feuille de papier - pourrait aider à faire progresser l'application de l'électronique de spin ou de l'électronique de spin, une nouvelle technologie qui utilise l'orientation du spin d'un électron plutôt que sa charge pour coder les données. "Notre aimant 2-D peut permettre la formation de dispositifs spintroniques ultra-compacts pour concevoir les spins des électrons, " dit Chen.

"Je crois que la découverte de cette nouvelle, robuste, un aimant vraiment bidimensionnel à température ambiante est une véritable percée de Jie Yao et de ses étudiants, " a déclaré le co-auteur Robert Birgeneau, un chercheur principal de la faculté de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de physique à l'UC Berkeley qui a codirigé les mesures magnétiques de l'étude. "En plus de son importance évidente pour les dispositifs spintroniques, cet aimant 2-D est fascinant au niveau atomique, révélant pour la première fois comment les atomes magnétiques du cobalt interagissent sur de "longues" distances" à travers un réseau bidimensionnel complexe, il ajouta.

"Nos résultats sont encore meilleurs que ce à quoi nous nous attendions, ce qui est vraiment excitant. La plupart du temps en sciences, les expériences peuvent être très difficiles, " dit-il. " Mais quand vous réalisez enfin quelque chose de nouveau, c'est toujours très enrichissant."