L’aimant 2D d’un atome d’épaisseur, créé par le Dr Jie Yao de l’Université de Californie, Berkeley, et du Lawrence Berkeley National Laboratory, et ses collègues, pourrait permettre de grandes avancées dans les mémoires de nouvelle génération, l’informatique, la spintronique et la physique quantique.
Chen et al. rapportent l’observation d’un ferromagnétisme à température ambiante dans une structure graphitique 2D de Zn1-xCoxO (gZCO) présentant une forte stabilité environnementale ; les sphères rouges, bleues et jaunes représentent respectivement les atomes de cobalt, d’oxygène et de zinc. Crédit image : Lawrence Berkeley National Laboratory.
“Nous sommes les premiers à fabriquer un aimant 2D à température ambiante qui est chimiquement stable dans des conditions ambiantes”, a déclaré le Dr Yao.
“Cette découverte est passionnante car non seulement elle rend le magnétisme 2D possible à température ambiante, mais elle met également en évidence un nouveau mécanisme pour réaliser des matériaux magnétiques 2D”, a ajouté Rui Chen, un étudiant diplômé de l’Université de Californie, Berkeley, et du Lawrence Berkeley National Laboratory.
Yao, Chen et leurs co-auteurs ont synthétisé l’aimant van der Waals à l’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 ont suffi pour transformer le mélange en une couche atomique unique d’oxyde de zinc avec quelques atomes de cobalt pris en sandwich entre des couches de graphène.
Dans une dernière étape, le graphène est brûlé, laissant derrière lui une seule couche atomique d’oxyde de zinc dopé au cobalt.
“Avec notre matériau, il n’y a pas d’obstacles majeurs pour que l’industrie adopte notre méthode basée sur une solution. Elle peut être mise à l’échelle pour une production de masse à moindre coût”, a déclaré le Dr Yao.
Pour confirmer que le film 2D obtenu n’a qu’un atome d’épaisseur, les chercheurs ont réalisé des expériences de microscopie électronique à balayage pour identifier la morphologie du matériau, et des images de microscopie électronique à transmission pour sonder le matériau atome par atome.
Avec la preuve en main que leur matériau 2D n’a vraiment qu’un atome d’épaisseur, ils ont démontré que l’aimant fonctionne avec succès à température ambiante.
Dans l’ensemble, les expériences ont montré que le système graphène-oxyde de zinc devient faiblement magnétique avec une concentration de 5-6% d’atomes de cobalt.
L’augmentation de la concentration d’atomes de cobalt à environ 12% donne un aimant très fort.
À la surprise de l’équipe, une concentration d’atomes de cobalt supérieure à 15 % fait passer l’aimant 2D dans un état quantique exotique de ” frustration “, dans lequel différents états magnétiques du système 2D sont en compétition les uns avec les autres.
Et contrairement aux aimants 2D précédents, qui perdent leur magnétisme à température ambiante ou plus, les scientifiques ont découvert que le nouvel aimant fonctionne non seulement à température ambiante mais aussi à 100 degrés Celsius (212 degrés Fahrenheit).
“Notre système magnétique 2D présente un mécanisme distinct par rapport aux aimants 2D précédents. Et nous pensons que ce mécanisme unique est dû aux électrons libres dans l’oxyde de zinc”, a déclaré Chen.
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans la revue Nature Communications.
