Les matériaux magnétiques bidimensionnels ont été salués comme des éléments de base pour la prochaine génération de petits appareils électroniques rapides. Ces matériaux, constitués de couches de feuilles cristallines de quelques atomes d'épaisseur seulement, tirent leurs propriétés magnétiques uniques des spins intrinsèques en forme d'aiguille de boussole de leurs électrons. La minceur à l'échelle atomique des feuilles signifie que ces spins peuvent être manipulés aux échelles les plus fines à l'aide de champs électriques externes, ce qui pourrait conduire à de nouveaux systèmes de stockage de données et de traitement de l'information à faible énergie. Mais savoir exactement comment concevoir des matériaux 2D avec des propriétés magnétiques spécifiques qui peuvent être manipulées avec précision reste un obstacle à leur application.

Maintenant, comme indiqué dans la revue Science Advances , des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), de l'UC Berkeley, de Cornell et de l'Université Rutgers ont découvert des matériaux 2D en couches qui peuvent héberger des caractéristiques magnétiques uniques qui restent stables à température ambiante et pourraient donc éventuellement être utilisés dans les futurs appareils de tous les jours. Des images à l'échelle atomique du matériau révèlent les caractéristiques chimiques et structurelles précises qui sont responsables de ces caractéristiques et de leur stabilité.

Les chercheurs du laboratoire de Berkeley ont fait leurs preuves dans l'identification de propriétés magnétiques inattendues dans des couches atomiquement minces de cristaux massifs, dont beaucoup sont basés sur des matériaux semi-conducteurs dopés avec des atomes métalliques. L'étudiant diplômé de l'UC Berkeley, Tyler Reichanadter, co-auteur de l'étude, a calculé comment la structure électronique des matériaux 2D courants pourrait changer en échangeant différents atomes, dans ce cas une partie du fer contre du cobalt. Cet échange particulier se traduit par une structure cristalline qui ne peut pas être superposée à son image miroir et conduit à la possibilité d'arrangements de spin exotiques de type vortex appelés skyrmions, qui sont explorés en tant que blocs de construction du futur informatique à faible consommation d'énergie.

Les co-auteurs de l'étude Hongrui Zhang, chercheur postdoctoral à l'UC Berkeley, et Xiang Chen, chercheur postdoctoral au Berkeley Lab et à l'UC Berkeley, ont utilisé des installations de croissance cristalline pour explorer certains des matériaux 2D les plus prometteurs, notamment le tellurure de fer-germanium dopé au cobalt ( Fe₅ GeTe₂ ) sous forme de nanoflakes. Fe₅ GeTe₂ est un matériau magnétique 2D typique en raison de sa structure en couches unique et de sa symétrie cristalline, avec des atomes de fer occupant des points spécifiques dans la structure cristalline. Ils ont découvert qu'en remplaçant exactement la moitié des atomes de fer par des atomes de cobalt - dont la configuration électronique légèrement différente signifiait que les atomes occupaient naturellement des points légèrement différents dans le cristal - ils pouvaient briser spontanément la symétrie cristalline naturelle du matériau, ce qui altérait sa structure de spin.

"Ce n'est pas facile à faire. Ces structures prennent des jours ou des mois à synthétiser, et nous avons traversé des centaines de cristaux", a déclaré Chen, qui est un expert dans la synthèse de matériaux aussi complexes.

Les co-auteurs Sandhya Susarla, chercheur postdoctoral au Berkeley Lab, et Yu-tsun Shao, chercheur postdoctoral à Cornell, ont confirmé la structure à l'échelle atomique et la structure électronique des matériaux complexes à l'aide des capacités de microscopie électronique au National Center for Electron Microscopy au Fonderie moléculaire.

"Il s'agit d'une pure découverte scientifique et complètement inattendue", a déclaré Ramamoorthy Ramesh, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et auteur correspondant principal de l'article. "L'équipe essayait de manipuler la structure électronique et a découvert qu'en brisant la symétrie, le matériau pouvait héberger des skyrmions."

Zhang a utilisé la microscopie à force magnétique pour imager les skyrmions sur de grandes surfaces de tels cristaux. En suivant l'évolution des skyrmions en fonction de la température et du champ magnétique, les chercheurs ont établi les conditions physiques qui ont conduit à leur stabilité. De plus, en faisant passer un courant électrique à travers le matériau, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient provoquer le déplacement des skyrmions dans le matériau, indépendamment des atomes qui ont conduit à leur formation en premier lieu.

Enfin, David Raftrey, chercheur étudiant diplômé du Berkeley Lab et de l'UC Santa Cruz, a effectué des simulations micromagnétiques pour interpréter les modèles électroniques observés dans ces matériaux.

Étant donné que les matériaux en couches peuvent être fabriqués avec une large gamme d'épaisseurs à température ambiante et au-dessus, les chercheurs pensent que leurs propriétés magnétiques peuvent être améliorées et étendues. "Nous nous intéressons à la microélectronique, mais les questions fondamentales sur la physique des matériaux nous inspirent vraiment", a déclaré Zhang. + Explorer plus loin

La révolution technologique de la spintronique pourrait être à portée de main