La phase magnétique à haute pression observée dans le trithiohypophosphate de fer, un matériau 2D qui passe d’un isolant à un métal lorsqu’il est comprimé, constitue probablement un précurseur de la supraconductivité.
La structure magnétique du FePS3. Crédit image : Cavendish Laboratory.
Le trithiohypophosphate de fer (FePS).3), ou graphène magnétique, appartient à une famille de matériaux connus sous le nom de matériaux de Van der Waals.
Synthétisé pour la première fois dans les années 1960, ce matériau 2D est similaire au graphène, et peut être “exfolié” en couches ultra-minces. Cependant, contrairement au graphène, le FePS3 est magnétique.
En 2018, le Dr. Siddharth Saxena du Cavendish Laboratory et ses collègues ont établi que le FePS3 devient un métal à haute pression, et ont décrit comment la structure cristalline et la disposition des atomes dans les couches de ce matériau changent au cours de la transition.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé de nouvelles techniques pour mesurer la structure magnétique jusqu’à des pressions record, en utilisant des enclumes en diamant spécialement conçues et des neutrons pour agir comme sonde du magnétisme.
Ils ont ensuite été en mesure de suivre l’évolution du magnétisme vers l’état métallique.
“A notre grande surprise, nous avons constaté que le magnétisme survit et est en quelque sorte renforcé”, a déclaré le Dr Saxena.
“C’est inattendu, car les électrons nouvellement libres dans un matériau nouvellement conducteur ne peuvent plus être verrouillés à leurs atomes de fer parents, générant des moments magnétiques à cet endroit – à moins que la conduction ne provienne d’une source inattendue.”
Dans leur étude précédente, les scientifiques ont montré que ces électrons étaient “gelés” en un sens. Mais lorsqu’ils les ont fait circuler ou bouger, ils ont commencé à interagir de plus en plus.
Le magnétisme survit, mais se modifie en de nouvelles formes, donnant lieu à de nouvelles propriétés quantiques dans un nouveau type de métal magnétique.
Le comportement d’un matériau, qu’il s’agisse d’un conducteur ou d’un isolant, repose principalement sur la façon dont les électrons, ou la charge, se déplacent. Cependant, il a été démontré que le “spin” des électrons est la source du magnétisme. Le spin fait que les électrons se comportent un peu comme de minuscules barreaux aimantés et pointent dans une certaine direction.
“La combinaison des deux, la charge et le spin, est la clé du comportement de ce matériau”, a déclaré le Dr David Jarvis, chercheur à l’Institut Laue-Langevin.
“Trouver cette sorte de multifonctionnalité quantique est un autre bond en avant dans l’étude de ces matériaux”.
“Nous ne savons pas exactement ce qui se passe au niveau quantique, mais en même temps, nous pouvons le manipuler”, a déclaré le Dr Saxena.
“C’est comme ces fameuses ‘inconnues inconnues’ : nous avons ouvert une nouvelle porte vers les propriétés de l’information quantique, mais nous ne savons pas encore quelles pourraient être ces propriétés.”
“Maintenant que nous avons une idée de ce qui arrive à ce matériau à haute pression, nous pouvons faire quelques prédictions sur ce qui pourrait se produire si nous essayons d’accorder ses propriétés par l’ajout d’électrons libres en le comprimant davantage”, a déclaré le Dr Matthew Coak, chercheur au Cavendish Laboratory et à l’Université de Warwick.
“La chose que nous poursuivons est la supraconductivité”, a ajouté le Dr Saxena.
“Si nous pouvons trouver un type de supraconductivité qui est lié au magnétisme dans un matériau 2D, cela pourrait nous donner une chance de résoudre un problème qui remonte à des décennies.”
Les résultats ont été publiés le 5 février 2021 dans la revue. Physical Review X.
