Illustration du couplage magnétique dans une monocouche d’oxyde de zinc dopé cobalt Les sphères rouges, bleues et jaunes représentent respectivement les atomes de cobalt, d’oxygène et de zinc CRÉDIT : Berkeley Lab

Le développement d’un aimant ultramince fonctionnant à température ambiante pourrait déboucher sur de nouvelles applications en informatique et en électronique, telles que des mémoires spintroniques compactes à haute densité, et de nouveaux outils pour l’étude de la physique quantique

L’aimant ultramince, qui a récemment fait l’objet d’un article dans la revue Nature Communications, pourrait faire de grands progrès dans les mémoires de nouvelle génération, l’informatique, la 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 2D à température ambiante qui est chimiquement stable dans des conditions ambiantes”, a déclaré l’auteur principal Jie Yao, chercheur à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux à UC Berkeley

“Cette découverte est passionnante car non seulement elle rend le magnétisme 2D possible à température ambiante, mais elle découvre également un nouveau mécanisme pour réaliser des matériaux magnétiques 2D”, a ajouté Rui Chen, étudiant diplômé de l’UC Berkeley au sein du groupe de recherche Yao et responsable auteur 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 Pendant des décennies, les chercheurs ont cherché des moyens de fabriquer des aimants 2D plus fins et plus petits et ainsi permettre de stocker des données à une densité beaucoup plus élevée

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

“Les aimants 2D de pointe nécessitent des températures très basses pour fonctionner Mais pour des raisons pratiques, un centre de données doit fonctionner à température ambiante », a déclaré 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 à fonctionner 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”, a déclaré Yao “Cela ouvre chaque atome à l’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”

Les chercheurs ont synthétisé le nouvel aimant 2D, appelé aimant de van der Waals en oxyde de zinc dopé au cobalt, à partir d’une solution d’oxyde de graphène, de zinc et de 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’obstacles majeurs pour que l’industrie adopte notre méthode basée sur des 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 une imagerie par microscopie électronique à transmission pour sonder le matériau atome par atome

Avec la preuve en main que leur matériau 2D n’a en réalité qu’une épaisseur d’un atome, les chercheurs se sont lancés dans le prochain défi qui les avait déconcertés 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 SLAC National Accelerator Laboratory ont permis de vérifier les structures électroniques et cristallines des aimants 2D synthétisés Et au Centre des matériaux à l’échelle nanométrique du Laboratoire national d’Argonne, les chercheurs ont imagé la structure cristalline et la composition chimique du matériau 2D à l’aide de la microscopie électronique à transmission.

Dans l’ensemble, les expériences en 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

À la surprise des chercheurs, une concentration d’atomes de cobalt dépassant 15 % déplace l’aimant 2D dans un état quantique exotique de « frustration », où différents états magnétiques au sein du système 2D sont en concurrence les uns avec les autres

Et contrairement aux aimants 2D précédents, qui perdent leur magnétisme à température ambiante ou au-dessus, les chercheurs ont découvert que le nouvel aimant 2D 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 aimants 2D précédents”, a déclaré Chen “Et nous pensons que ce mécanisme unique est dû aux électrons libres dans l’oxyde de zinc”

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, telle que 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 externe 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 dans le nouveau dispositif 2D continuent de pointer dans la même direction – et restent ainsi magnétiques – même lorsque l’hôte, dans ce cas le zinc semi-conducteur l’oxyde, est un matériau non magnétique

« Les électrons libres sont des constituants des courants électriques Ils se déplacent dans la même direction pour conduire l’électricité », a ajouté Yao, comparant 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 affirment qu’un nouveau matériau – qui peut être plié dans presque n’importe quelle forme sans se casser, et est d’un 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 2D peut permettre la formation de dispositifs spintroniques ultra-compacts pour concevoir les spins des électrons”, a déclaré Chen.

« Je pense que la découverte de ce nouvel aimant robuste et véritablement bidimensionnel à température ambiante est une véritable percée par Jie Yao et ses étudiants », a déclaré le co-auteur Robert Birgeneau, chercheur principal au sein du département Matériaux de Berkeley Lab. Division des sciences 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 2D 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, a-t-il ajouté.

“Nos résultats sont encore meilleurs que ce à quoi nous nous attendions, ce qui est vraiment excitant La plupart du temps en science, les expériences peuvent être très difficiles », a-t-il déclaré. “Mais quand vous réalisez enfin quelque chose de nouveau, c’est toujours très gratifiant”

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