Un nouvel aimant pour les appareils du futur

Nous sommes tous familiers avec l'image des électrons qui s’agitent autour du noyau d'un atome, et forment des liaisons chimiques dans les molécules et les matériaux. Ce que l'on sait moins, c'est que les électrons ont une autre propriété unique : le spin. De manière simplifiée, le spin, ou rotation des électrons, peut être décrit comme une toupie tournant autour de son axe. Lorsque des spins d'électrons s'alignent dans un matériau, cela conduit au phénomène bien connu du magnétisme.

L'un des domaines technologiques les plus avant-gardistes est la spintronique, un effort encore expérimental pour concevoir et construire des dispositifs - comme les ordinateurs et les mémoires - qui fonctionnent par rotation électronique plutôt que par simple mouvement des charges (que nous appelons courant électrique). Mais de telles applications exigent de nouveaux matériaux magnétiques avec de nouvelles propriétés. Par exemple, ce serait un énorme avantage si le magnétisme se produisait dans une couche extrêmement mince du matériau - ce qu'on appelle les matériaux bidimensionnels (2D) qui contiennent du graphène, qui est essentiellement une couche de graphite d'épaisseur atomique.

Cependant, il est difficile de trouver des matériaux magnétiques 2D. L'iodure de chrome a récemment révélé de nombreuses propriétés intéressantes, mais il se dégrade rapidement dans les conditions ambiantes et sa nature isolante ne promet pas grand-chose pour les applications spintroniques, dont la plupart nécessitent des matériaux magnétiques métalliques et stables à l'air.

Les groupes d'Andras Kis et d'Oleg Yazyev à l'EPFL ont trouvé un nouvel aimant 2D métallique et stable à l'air : le diséléniure de platine (PtSe2). La découverte a été faite par Ahmet Avsar, un post-doctorant du laboratoire du Professeur Kis, qui s'intéressait en fait à autre chose.

Pour expliquer la découverte du magnétisme dans PtSe2, les chercheurs ont d'abord utilisé des calculs basés sur la théorie fonctionnelle de la densité, une méthode qui modélise et étudie la structure de systèmes complexes comportant de nombreux électrons, comme les matériaux et les nanostructures. L'analyse théorique a montré que le magnétisme de PtSe2 est causé par les soi-disant "défauts" de sa surface, qui sont des irrégularités dans l'arrangement des atomes. "Il y a plus d'une décennie, nous avons trouvé un scénario similaire pour les défauts du graphène, mais le PtSe2 nous a totalement surpris ", explique Oleg Yazyev.

Les chercheurs ont confirmé la présence de magnétisme dans le matériau à l'aide d'une puissante technique de mesure de magnétorésistance. Le magnétisme était surprenant, car le PtSe2 parfaitement cristallin est censé être amagnétique. "C'est la première fois que l'on observe un magnétisme induit par des défauts dans ce type de matériaux 2D ", explique Andras Kis. "Il élargit la gamme des ferromagnétiques 2D en matériaux qui seraient autrement négligés par les techniques d'extraction de bases de données massives."

Supprimer ou ajouter une couche de PtSe2 est suffisant pour changer la façon dont les spins se parlent entre eux à travers les couches. Et ce qui le rend encore plus prometteur, c'est le fait que son magnétisme, même à l'intérieur d'une même couche, peut être manipulé davantage en plaçant stratégiquement des défauts sur sa surface - un processus connu sous le nom d'"ingénierie des défauts" qui peut être accompli en irradiant la surface du matériau avec des faisceaux électroniques ou protoniques.

"De tels aimants métalliques ultra-minces pourraient être intégrés dans la prochaine génération de mémoires magnétiques à accès aléatoire et à transfert de couple de spin (STT MRAM)", explique Ahmet Avsar. "Les aimants 2D pourraient réduire le courant critique nécessaire pour modifier la polarité magnétique et nous aider à poursuivre la miniaturisation. Ce sont les principaux défis que les entreprises espèrent relever."