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Ordre ferromagnétique exotique en deux dimensions

Ordre ferromagnétique exotique en deux dimensions
Ordre ferromagnétique exotique en deux dimensions

Topographie STM d’une monocouche CrCl3 cultivé sur graphène/6H-SiC(0001). En médaillon, une image topographique agrandie, qui révèle les joints de grains. Crédit : Sciences

Les matériaux les plus minces au monde n’ont qu’un seul atome d’épaisseur. Ces types de matériaux bidimensionnels ou 2D, tels que le graphène, bien connu pour être constitué d’une seule couche d’atomes de carbone, suscitent beaucoup d’enthousiasme parmi les équipes de recherche du monde entier. En effet, ces matériaux promettent des propriétés inhabituelles qui ne peuvent être obtenues avec des matériaux tridimensionnels. En conséquence, les matériaux 2D ouvrent la porte à de nouvelles applications dans des domaines tels que les technologies de l’information et de l’affichage, ainsi que pour les composants critiques des capteurs extrêmement sensibles.

Les structures dites monocouches de van-der-Waals suscitent un intérêt particulier. Ce sont des combinaisons de deux ou plusieurs couches de matériaux différents qui n’ont chacune qu’un seul atome d’épaisseur, les couches étant maintenues les unes aux autres par de faibles forces électrostatiques de van-der-Waals. En sélectionnant le type et la séquence des couches de matériau liées de cette manière, des caractéristiques électriques, magnétiques et optiques spécifiques peuvent être choisies et modifiées. Cependant, le dépôt homogène à grande échelle de couches individuelles de van-der-Waals ayant des propriétés ferromagnétiques n’a pas encore été réalisé. Pourtant, c’est précisément ce type de magnétisme à plus grande échelle qui est particulièrement important pour plusieurs applications potentielles, comme pour une nouvelle forme de mémoire non volatile par exemple.

Des scientifiques de l’Institut Max Planck de physique des microstructures à Halle, en Allemagne, de la source lumineuse synchrotron ALBA à Barcelone, en Espagne, et du Helmholtz-Zentrum Berlin ont réussi pour la première fois à créer un matériau bidimensionnel uniforme et à démontrer un comportement ferromagnétique en son sein connu sous le nom de magnétisme « à plan facile ».

Une couche presque flottante de chrome et de chlore

Les chercheurs allemands et espagnols ont utilisé du chlorure de chrome (CrCl3) en tant que matériau, qui ressemble au composé correspondant composé de chrome et d’iode dans la structure, mais peut être considérablement plus robuste. L’équipe de Halle a déposé une couche monoatomique à grande échelle de ce matériau sur un substrat de carbure de silicium recouvert de graphène par épitaxie par faisceau moléculaire. Le but du graphène était de réduire l’interaction entre le chlorure de chrome et le carbure de silicium et ainsi empêcher le substrat d’influencer les propriétés du CrCl monoatomique.3 couche. C’était la clé pour accéder à l’anisotropie magnétique insaisissable du plan facile”, explique le Dr Amilcar Bedoya-Pinto, chercheur dans le groupe du professeur Stuart Parkin à l’Institut Max Planck de Halle. “Essentiellement, nous avons obtenu un couche ultrafine qui n’était liée à la couche intermédiaire de graphène que par de faibles forces de van-der-Waals.”

L’objectif de l’équipe était de répondre à la question de savoir comment l’ordre magnétique du chlorure de chrome se manifeste lorsqu’il n’est constitué que d’une seule couche monoatomique. Dans sa forme tridimensionnelle normale, la substance est antiferromagnétique. En conséquence, les moments magnétiques des atomes sont orientés dans des directions opposées dans chaque couche, ce qui fait que le matériau semble non magnétique en vrac. Des considérations théoriques suggéraient jusqu’à présent que l’ordre magnétique est perdu ou présente une faible aimantation conventionnelle lorsque le matériau est réduit à une seule couche atomique.

Mesures précises dans l’installation VEKMAG

Cependant, les scientifiques ont maintenant réussi à réfuter cela en examinant en détail les propriétés magnétiques du matériau 2D. Pour ce faire, ils ont utilisé les capacités uniques de l’installation d’aimants vectoriels VEKMAG installée à la source de rayonnement synchrotron de HZB BESSY II. “Ici, il est possible d’étudier des échantillons à l’aide de rayons X mous dans un champ magnétique puissant et à des températures proches du zéro absolu”, explique le Dr Florin Radu, chef de l’équipe du HZB responsable des opérations de l’installation VEKMAG. “Ces aspects rendent l’installation unique au monde”, ajoute le scientifique berlinois. Il a permis aux membres de l’équipe de Halle de déterminer l’orientation des moments magnétiques individuels et de distinguer avec précision les atomes de chrome et de chlore.

Au cours des mesures, les chercheurs ont observé comment l’ordre ferromagnétique s’est formé dans le matériau bidimensionnel en dessous d’une certaine température, connue sous le nom de température de Curie. “Dans la couche de chlorure de chrome monoatomique, une transition de phase caractéristique des aimants à plan facile a eu lieu qui n’avait jamais été observée auparavant dans un tel matériau 2D”, rapporte Bedoya-Pinto.

Vent arrière pour le développement de la spintronique

La découverte offre non seulement de nouvelles informations sur le comportement magnétique des matériaux bidimensionnels. « Nous avons maintenant également une excellente plate-forme pour explorer une variété de phénomènes physiques qui n’existent que dans les aimants bidimensionnels », se réjouit Bedoya-Pinto, comme le transport superfluide (sans perte) de spin, qui est une sorte de quantité de mouvement des électrons et autres particules. Ceux-ci sont à la base d’une nouvelle forme de traitement des données qui, contrairement à l’électronique conventionnelle, utilise des moments magnétiques plutôt que des charges électriques. Connue sous le nom de spintronique, elle révolutionne actuellement le stockage des données et le traitement de l’information. Les nouvelles connaissances acquises au HZB pourraient stimuler ce développement.


Visualisation de la structure atomique et du magnétisme des isolants magnétiques 2D


Plus d’information:
Amilcar Bedoya-Pinto et al, Ferromagnétisme intrinsèque 2D-XY dans une monocouche de van der Waals, Science (2021). DOI : 10.1126/science.abd5146

Fourni par l’Association Helmholtz des centres de recherche allemands

Citation: Spintronique : ordre ferromagnétique exotique en deux dimensions (2021, 1er novembre) récupéré le 1er novembre 2021 sur https://phys.org/news/2021-11-spintronics-exotic-ferromagnetic-two-dimensions.html

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