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Les scientifiques fabriquent l’aimant le plus fin du monde. C’est seulement un atome d’épaisseur

Illustration du couplage magnétique dans une monocouche d’oxyde de zinc saturée de cobalt. Les boules rouges, bleues et jaunes représentent respectivement les atomes de cobalt, d’oxygène et de zinc. Crédit : Berkeley Lab.

Pour la première fois au monde, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l’Université de Californie à Berkeley ont créé un aimant de l’épaisseur d’un atome pouvant fonctionner à température ambiante. Les aimants ultra-minces pourraient conduire à une nouvelle classe de périphériques de stockage capables de stocker des données de plus grande taille par volume que les périphériques modernes d’aujourd’hui. Ces aimants bidimensionnels (2D) peuvent également être utiles pour explorer le monde mystérieux de la physique quantique.

“Nous sommes les premiers à fabriquer des aimants bidimensionnels à température ambiante qui sont chimiquement stables dans des conditions ambiantes”, a déclaré l’auteur principal Ji Yao, chercheur au Département des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux à UC Berkeley.

“Cette découverte est passionnante car elle rend non seulement le magnétisme 2D possible à température ambiante, mais elle révèle également un nouveau mécanisme de perception des matériaux magnétiques 2D”, a ajouté Rui Chen, étudiant diplômé de l’UC Berkeley au Yao Research Group et auteur principal d’une étude. .

Aimants bidimensionnels minces unidimensionnels qui fonctionnent à température ambiante

Les dispositifs de stockage modernes qui stockent des données sur un support magnétique contiennent généralement des films magnétiques très minces. L’épaisseur de ces films peut ne pas dépasser des milliers voire des centaines d’atomes, ce qui est impressionnant en soi, mais les scientifiques veulent toujours repousser les limites.

Pendant des décennies, les physiciens ont essayé de fabriquer un aimant bidimensionnel qui n’est pas plus épais qu’un atome. Cela leur permettra d’entasser plus de données par pouce carré.

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Certains de ces efforts ont porté leurs fruits avec des résultats prometteurs, mais leur principal inconvénient est que ces aimants 2D précédemment conçus deviennent instables à température ambiante.

“Les aimants 2D avancés ont besoin de températures très basses pour fonctionner. Mais pour des raisons pratiques, le centre de données doit fonctionner à température ambiante”, a déclaré Yao. “Théoriquement, nous savons que plus l’aimant est petit, plus les données potentielles du disque sont denses. Notre aimant bidimensionnel n’est pas seulement le premier à fonctionner à température ambiante ou plus, mais aussi le premier à atteindre la véritable limite bidimensionnelle : il est aussi mince qu’un seul atome !

Yao et ses collègues ont fabriqué un nouveau matériau appelé aimant de van der Waals en oxyde de zinc dopé au cobalt. Bien que le nom puisse mettre l’eau à la bouche, il décrit parfaitement l’objet de cet aimant : une seule couche atomique d’oxyde de zinc avec une petite pincée de cobalt. Au cours du processus de synthèse, le matériau est pris en sandwich entre des couches de graphène, qui sont ensuite éliminées, ne laissant qu’une seule couche atomique d’oxyde de zinc saturée de cobalt. C’est un procédé de fabrication accessible et évolutif pour une production de masse à faible coût.

L’aimant bidimensionnel a subi une série de tests, y compris des expériences de microscopie électronique à balayage qui ont révélé la morphologie du matériau et la microscopie électronique consistant à sonder l’atome d’une substance par l’atome. Ces investigations ont prouvé que l’aimant n’a en fait pas plus d’un atome d’épaisseur.

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Ensuite, ils ont montré qu’il était encore stable à température ambiante. À l’aide des puissantes sources de rayons X de la source lumineuse avancée du laboratoire de Berkeley et de la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford au laboratoire national du SLAC, les chercheurs décrivent les structures électroniques et cristallines des aimants bidimensionnels de différentes concentrations de cobalt.

Selon les résultats, le graphène et l’oxyde de zinc deviennent magnétiques avec une concentration de 5-6% de cobalt, tandis que l’augmentation de la concentration à 12% conduit à un aimant très puissant.

Des expériences ont montré non seulement que le matériau conserve son magnétisme à température ambiante, mais qu’il peut également résister à des températures allant jusqu’à 100°C (212°F). Le nouveau matériau peut également être plié dans presque toutes les formes sans se casser.

“Notre système magnétique 2D montre un mécanisme distinct par rapport aux aimants 2D précédents”, a déclaré Chen. “Nous pensons que ce mécanisme unique est dû aux électrons libres dans l’oxyde de zinc.”

Applications possibles en informatique et en électronique

Les données sont écrites dans une mémoire magnétique, telle qu’un disque dur magnétique, en inversant la direction des pôles d’un aimant microscopique (nord et sud) à l’aide d’un champ magnétique externe. Les électrons libres dans un aimant bidimensionnel suivent toujours la direction des courants électriques et garantissent que les atomes de cobalt magnétique dans le matériau continuent de pointer dans la même direction et restent ainsi magnétiques.

Cette propriété pourrait ouvrir la porte à des applications en électronique de spin, également appelée spintronique, où les données peuvent être codées dans le spin de l’électron plutôt que dans sa charge.

“Je pense que la découverte de ce nouvel aimant 2D vraiment puissant à température ambiante est une véritable réussite de Ji Yao et de ses étudiants”, a déclaré le co-auteur Robert Bergino, chercheur principal au département des sciences des matériaux du Berkeley Lab. Professeur de physique à l’UC Berkeley qui a codirigé les mesures magnétiques de l’étude. “En plus de son importance apparente pour les dispositifs spintroniques, cet aimant bidimensionnel 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. Les résultats sont 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.” “Mais quand vous réalisez enfin quelque chose de nouveau, c’est toujours très satisfaisant.”

Les résultats sont parus dans la revue Communication Nature.

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