Le développement d’un aimant ultramince fonctionnant à température ambiante pourrait conduire à 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 été récemment rapporté dans la revue Character 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 soit chimiquement steady dans des ailments 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 l’UC Berkeley.



« Cette découverte est passionnante auto non seulement elle rend le magnétisme 2D probable 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 auteur principal sur le étude. »

Le composant magnétique des dispositifs de mémoire d’aujourd’hui est généralement constitué de movies 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 in addition minces et additionally petits et ainsi permettre de stocker des données à une densité beaucoup furthermore 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 ont besoin de 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 as well as l’aimant est petit, furthermore la densité de données potentielle du disque est grande. Notre aimant 2D n’est pas seulement le leading qui fonctionne à température ambiante ou as well as, mais c’est aussi le premier aimant à atteindre la véritable limite 2D  : c’est aussi mince 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 difficile à faire. »

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

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 alternative d’oxyde de graphène, de zinc et de cobalt. Quelques heures de cuisson dans un 4 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 options », a déclaré Yao.  » C’est potentiellement évolutif pour une manufacturing 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 key que leur matériau 2D n’a vraiment qu’un atome d’épaisseur, 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 resource 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 du Stanford National Accelerator Laboratory du SLAC ont vérifié les structures électroniques et cristallines des aimants 2D synthétisés. Et au Centre pour les matériaux à l’échelle nanométrique du Laboratoire countrywide d’Argonne, les chercheurs ont imagé la construction cristalline et la composition chimique du matériau 2D à l’aide de la microscopie électronique à transmission.

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

À la surprise des chercheurs, une focus d’atomes de cobalt dépassant 15 % déplace l’aimant 2D dans un état quantique exotique de  » stress « , dans lequel 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 supérieure, 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. »

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, telle que le disque dur magnétique ou une mémoire flash. Et comme tous les aimants, les dispositifs de mémoire magnétique contiennent des aimants microscopiques à deux pôles – nord et sud, dont les orientations suivent la route 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 garantissant que les atomes de cobalt magnétique du nouveau dispositif 2D continuent de pointer dans la même way – 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 la même path 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 la spintronique, une nouvelle technologie qui utilise le 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 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 moreover 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. c’est toujours très gratifiant. »

Les co-auteurs de l’article incluent des chercheurs du Berkeley Lab, dont Alpha N’Diaye et Padraic Shafer de Advanced Gentle Source UC Berkeley UC Riverside Laboratoire National d’Argonne et l’Université de Nanjing et l’Université des sciences et systems électroniques de Chine.

La resource de lumière avancée et la fonderie moléculaire sont des installations nationales du DOE à Berkeley Lab.

La source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford est une set up nationale d’utilisateurs du DOE au SLAC Nationwide Accelerator Laboratory.

Le Centre pour les matériaux à l’échelle nanométrique est une installation nationale d’utilisateurs du DOE au Laboratoire countrywide d’Argonne.

Ce travail a été financé par le DOE Workplace of Science, Intel Corporation et le Bakar Fellows Method de l’UC Berkeley.