Le graphène forme-t-il un nouveau type de magnétisme ?


Graphène 2 e1640093944261

Des chercheurs ont identifié une nouvelle forme de magnétisme dans le graphène dit magnétique, ce qui pourrait permettre de comprendre la supraconductivité de ce type de matériau inhabituel.

De nouvelles façons de comprendre la physique

Les chercheurs, dirigés par l'université de Cambridge, ont réussi à contrôler la conductivité et le magnétisme du thiophosphate de fer (FePS3), un matériau bidimensionnel qui passe de l'état d'isolant à celui de métal lorsqu'il est comprimé. Cette classe de matériaux magnétiques offre de nouvelles voies pour comprendre la physique des nouveaux états magnétiques et de la supraconductivité.

En utilisant de nouvelles techniques à haute pression, les chercheurs ont montré ce qui arrive au graphène magnétique pendant la transition de l'isolant au conducteur et à son état métallique non conventionnel, réalisé uniquement dans des conditions d'ultra-haute pression. Lorsque le matériau devient métallique, il reste magnétique, ce qui est contraire aux résultats précédents et fournit des indices sur le fonctionnement de la conduction électrique dans la phase métallique. La phase magnétique à haute pression récemment découverte constitue probablement un précurseur de la supraconductivité, et il est donc essentiel de comprendre ses mécanismes.

Leurs résultats, publiés dans la revue Physical Review X, suggèrent également une manière de concevoir de nouveaux matériaux ayant des propriétés combinées de conduction et de magnétisme, ce qui pourrait être utile pour le développement de nouvelles technologies telles que la spintronique, qui pourrait transformer la manière dont les ordinateurs traitent les informations.

Les propriétés de la matière peuvent changer radicalement en fonction de la dimensionnalité. Par exemple, le graphène, les nanotubes de carbone, le graphite et le diamant sont tous constitués d'atomes de carbone, mais ont des propriétés très différentes en raison de leur structure et de leur dimensionnalité différentes.

 

Les chercheurs ont utilisé de nouvelles techniques

"Mais imaginez si vous étiez également en mesure de modifier toutes ces propriétés en ajoutant du magnétisme", a déclaré le premier auteur, le Dr Matthew Coak, qui est basé conjointement au Cavendish Laboratory de Cambridge et à l'Université de Warwick. "Un matériau qui pourrait être mécaniquement flexible et former un nouveau type de circuit pour stocker des informations et effectuer des calculs. C'est pourquoi ces matériaux sont si intéressants, et parce qu'ils changent radicalement de propriétés lorsqu'ils sont mis sous pression, de sorte que nous pouvons contrôler leur comportement."

Dans une étude précédente menée par Sebastian Haines du Cavendish Laboratory et du département des sciences de la Terre, les chercheurs ont établi que le matériau se transforme en métal à haute pression, et ont décrit comment la structure cristalline et la disposition des atomes dans les couches de ce matériau 2D changent au cours de la transition.

"La pièce manquante est cependant restée, le magnétisme", a déclaré Coak. "En l'absence de techniques expérimentales capables de sonder les signatures du magnétisme dans ce matériau à des pressions aussi élevées, notre équipe internationale a dû développer et tester nos propres nouvelles techniques pour rendre cela possible."

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 servir de sonde au magnétisme. Ils ont ensuite pu suivre l'évolution du magnétisme vers l'état métallique.

"À notre grande surprise, nous avons constaté que le magnétisme survit et est en quelque sorte renforcé", a déclaré le coauteur, le Dr Siddharth Saxena, chef de groupe au Cavendish Laboratory. "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 précédent article, les chercheurs ont montré que ces électrons étaient en quelque sorte "gelés". 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.

 

Développement de nouvelles technologies

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. Le magnétisme provenant de la disposition des spins des électrons est utilisé dans la plupart des dispositifs de mémoire : il est important de l'exploiter et de le contrôler pour développer de nouvelles technologies telles que la spintronique, qui pourrait transformer la manière dont les ordinateurs traitent les informations.

"La combinaison des deux, la charge et le spin, est la clé du comportement de ce matériau", a déclaré le coauteur, le Dr David Jarvis, de l'Institut Laue-Langevin, en France, qui a réalisé ces travaux dans le cadre de son doctorat au Cavendish Laboratory. "La découverte de ce type de multifonctionnalité quantique constitue un nouveau 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 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."

Il y a plus de composés chimiques potentiels à synthétiser que l'on ne pourra jamais en explorer et caractériser complètement. Mais en sélectionnant et en accordant soigneusement des matériaux aux propriétés particulières, il est possible de montrer la voie vers la création de composés et de systèmes, sans avoir à appliquer d'énormes quantités de pression.

En outre, l'acquisition d'une compréhension fondamentale de phénomènes tels que le magnétisme de faible dimension et la supraconductivité permet aux chercheurs de faire les prochains pas en science et ingénierie des matériaux, avec un potentiel particulier en matière d'efficacité, de production et de stockage de l'énergie.

Quant au cas du graphène magnétique, les chercheurs prévoient de poursuivre la recherche de la supraconductivité dans ce matériau unique. "Maintenant que nous avons une idée de ce qui arrive à ce matériau à haute pression, nous pouvons faire des prédictions sur ce qui pourrait se passer si nous essayons d'accorder ses propriétés en ajoutant des électrons libres en le comprimant davantage", a déclaré Coak.

"Ce que nous poursuivons, c'est la supraconductivité", a déclaré M. Saxena. "Si nous pouvons trouver un type de supraconductivité lié au magnétisme dans un matériau bidimensionnel, cela pourrait nous donner une chance de résoudre un problème qui remonte à plusieurs décennies."