Crédit : Marilyn Sargent/Laboratoire de Berkeley
Un-atome-un aimant 2D mince développé par Berkeley Lab et UC Berkeley pourrait faire avancer de nouvelles applications en informatique et en électronique.
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 été récemment rapporté dans le journal Communication Nature, pourrait faire de grands progrès dans les dispositifs de mémoire 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 l’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 auteur principal sur le étudier.
Le composant magnétique des dispositifs de mémoire d’aujourd’hui est généralement constitué de films minces magnétiques. Mais au niveau atomique, ces matériaux 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 minces 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 à la pointe de la technologie 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. « 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. “Cela ouvre chaque atome à l’examen, ce qui peut révéler comment la physique quantique régit chaque atome magnétique et les interactions entre eux”, a déclaré Yao.
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 solution de graphène l’oxyde, le zinc et le 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.
Illustration du couplage magnétique dans une monocouche d’oxyde de zinc dopé au cobalt. Les sphères rouges, bleues et jaunes représentent respectivement les atomes de cobalt, d’oxygène et de zinc. Crédit : Berkeley Lab
“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 (MET) pour sonder le matériau atome par atome.
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 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 national d’Argonne, les chercheurs ont utilisé la MET pour imager la structure cristalline et la composition chimique du matériau 2D.
Les chercheurs ont découvert 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 leur grande surprise, une concentration d’atomes de cobalt dépassant 15 % déplace l’aimant 2D dans un état quantique exotique de « frustration », 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 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.”
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 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 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 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.
Le nouveau matériau – qui peut être plié dans presque n’importe quelle forme sans se casser, et est un million de fois plus mince qu’une feuille de papier – pourrait aider à faire progresser l’application de l’électronique de spin ou de la spintronique, une nouvelle technologie qui utilise l’orientation du spin d’un électron plutôt que sa charge d’encoder 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”, a déclaré le co-auteur Robert Birgeneau, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de physique à l’UC Berkeley. qui a co-dirigé l’étude.
« 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 déclaré Yao. “Mais quand vous réalisez enfin quelque chose de nouveau, c’est toujours très gratifiant.”
Référence : “Ferromagnétisme à température ambiante accordable dans le van der Waals ZnO bidimensionnel co-dopé” par Rui Chen, Fuchuan Luo, Yuzi Liu, Yu Song, Yu Dong, Shan Wu, Jinhua Cao, Fuyi Yang, Alpha N’Diaye, Padraic Shafer, Yin Liu, Shuai Lou, Junwei Huang, Xiang Chen, Zixuan Fang, Qingjun Wang, Dafei Jin, Ran Cheng, Hongtao Yuan, Robert J. Birgeneau et Jie Yao, 25 juin 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-24247-w
Les co-auteurs de l’article incluent des chercheurs du Berkeley Lab, dont Alpha N’Diaye et Padraic Shafer de Advanced Light Source ; UC Berkeley; UC Riverside; Laboratoire National d’Argonne ; et l’Université de Nanjing et l’Université des sciences et technologies électroniques de Chine.
La source 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 installation nationale d’utilisateurs du DOE au SLAC National Accelerator Laboratory.
Le Centre pour les matériaux à l’échelle nanométrique est une installation nationale d’utilisateurs du DOE au Laboratoire national d’Argonne.
Ce travail a été financé par le DOE Office of Science, Intel Corporation et le Bakar Fellows Program de l’UC Berkeley.
