Des scientifiques de l’Université de Saint-Pétersbourg et leurs collègues étrangers ont créé le premier ferromagnétisme bidimensionnel au monde dans le graphène. L’utilisation de l’état magnétique obtenu du graphène peut devenir la base d’une nouvelle approche de l’électronique, augmentant son efficacité énergétique et sa vitesse lors du développement d’appareils utilisant des technologies alternatives sans l’utilisation de silicium.
Le graphène, une modification bidimensionnelle du carbone, est le plus léger et le plus résistant de tous les matériaux bidimensionnels disponibles aujourd’hui, et est également très conducteur. En 2018, des chercheurs de l’Université de Saint-Pétersbourg, ainsi que leurs collègues de l’Université d’État de Tomsk et des scientifiques allemands et espagnols ont été les premiers au monde à modifier le graphène et à lui donner les propriétés du cobalt et de l’or – magnétisme et interaction spin-orbite (entre l’électron en mouvement dans le graphène et son propre moment magnétique). Lorsqu’il interagit avec le cobalt et l’or, le graphène conserve non seulement ses caractéristiques uniques, mais prend également partiellement les propriétés de ces métaux.
Dans le cadre de ces nouveaux travaux, les scientifiques ont synthétisé un système avec un état ferrimagnétique de graphène. C’est un état unique dans lequel la substance a une magnétisation en l’absence d’un champ magnétique externe. Les physiciens ont utilisé un substrat similaire composé d’une fine couche de cobalt et d’un alliage d’or à sa surface.
Lors de l’alliage de surface, des boucles de dislocation se sont formées sous le graphène. Ces boucles sont des régions triangulaires avec une plus faible densité d’atomes de cobalt dont les atomes d’or se sont rapprochés. Jusqu’à présent, on savait que le graphène monocouche ne pouvait être entièrement magnétisé que de manière uniforme. Cependant, des études menées par des scientifiques de l’Université de Saint-Pétersbourg ont montré qu’il est possible de contrôler l’aimantation des atomes de sous-réseaux individuels par une interaction sélective avec les défauts structurels du substrat.
« Il s’agit d’une découverte importante, car tous les appareils électroniques utilisent des charges électriques et impliquent une génération de chaleur lorsque le courant circule. Nos recherches permettront à terme de transmettre des informations sous forme de courants de spin. Il s’agit d’une nouvelle génération d’électronique, une logique fondamentalement différente. et une nouvelle approche du développement technologique qui réduit la consommation d’énergie et augmente la vitesse de transfert de l’information », a expliqué Artem Rybkin, chercheur principal de la recherche, associé de recherche principal au Laboratoire de structure électronique et de spin des nanosystèmes à l’Université de Saint-Pétersbourg.
La deuxième caractéristique importante du graphène synthétisé par les physiciens de l’Université de Saint-Pétersbourg est la forte interaction spin-orbite. Dans cette structure, le renforcement de cette interaction s’explique par la présence d’atomes d’or sous le graphène. A un certain rapport des paramètres magnétiques et d’interaction spin-orbite, il est possible de passer de l’état trivial, c’est-à-dire familier, du graphène à un état topologique nouveau.
Les résultats de la recherche sont publiés dans Lettres d’examen physique.
Plus d’information:
Artem G. Rybkin et al, Ferrimagnétisme sous-réseau dans le graphène quasi-autonome, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.226401