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Un nouveau matériau 2D fait progresser le calcul basse consommation

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Par Rachel Berkowitz

Les matériaux magnétiques bidimensionnels ont été salués comme des éléments de base pour la prochaine génération de petits appareils électroniques rapides. Ces matériaux, constitués de couches de feuilles cristallines de quelques atomes d’épaisseur seulement, tirent leurs propriétés magnétiques uniques des spins intrinsèques en forme d’aiguille de boussole de leurs électrons. La minceur à l’échelle atomique des feuilles signifie que ces spins peuvent être manipulés aux échelles les plus fines à l’aide de champs électriques externes, ce qui pourrait conduire à de nouveaux systèmes de stockage de données et de traitement de l’information à faible énergie. Mais savoir exactement comment concevoir des matériaux 2D avec des propriétés magnétiques spécifiques qui peuvent être manipulées avec précision reste un obstacle à leur application.

Une carte produite par des techniques de microscopie magnétique montre des modèles de spin de type vortex appelés skyrmions apparaissant dans un matériau 2D en couches minces. Les chercheurs du Berkeley Lab affirment que le matériau pourrait faire progresser des composants électroniques plus petits, plus rapides et économes en énergie tels que les dispositifs de mémoire à faible consommation d'énergie. (Crédit : laboratoire de Berkeley)

Une carte produite par des techniques de microscopie magnétique montre des modèles de spin de type vortex appelés skyrmions apparaissant dans un matériau 2D en couches minces. Les chercheurs du Berkeley Lab affirment que le matériau pourrait faire progresser des composants électroniques plus petits, plus rapides et économes en énergie tels que les dispositifs de mémoire à faible consommation d’énergie. (Crédit : laboratoire de Berkeley)

Maintenant, comme indiqué dans la revue Science Advances, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), de l’UC Berkeley, de Cornell et de l’Université Rutgers ont découvert des matériaux 2D en couches qui peuvent héberger des caractéristiques magnétiques uniques qui restent stables à température ambiante et pourraient donc éventuellement être utilisés dans les futurs appareils de tous les jours. Des images à l’échelle atomique du matériau révèlent les caractéristiques chimiques et structurelles précises qui sont responsables de ces caractéristiques et de leur stabilité.

Les chercheurs du laboratoire de Berkeley ont fait leurs preuves dans l’identification de propriétés magnétiques inattendues dans des couches atomiquement minces de cristaux massifs, dont beaucoup sont basés sur des matériaux semi-conducteurs dopés avec des atomes métalliques. L’étudiant diplômé de l’UC Berkeley, Tyler Reichanadter, co-auteur de l’étude, a calculé à quel point la structure électronique des matériaux 2D courants pourrait changer en échangeant différents atomes, dans ce cas une partie du fer contre du cobalt. Cet échange particulier se traduit par une structure cristalline qui ne peut pas être superposée à son image miroir et conduit à la possibilité d’arrangements de spin exotiques de type vortex appelés skyrmions, qui sont explorés en tant que blocs de construction du futur informatique à faible consommation.

Les co-auteurs de l’étude Hongrui Zhang, chercheur postdoctoral à l’UC Berkeley, et Xiang Chen, chercheur postdoctoral au Berkeley Lab et à l’UC Berkeley, ont utilisé des installations de croissance cristalline pour explorer certains des matériaux 2D les plus prometteurs, notamment le tellurure de fer-germanium dopé au cobalt ( Fe5Gete2) sous forme de nanoflakes. Fe5Gete2 est un matériau magnétique 2D typique en raison de sa structure en couches unique et de sa symétrie cristalline, avec des atomes de fer occupant des points spécifiques dans la structure cristalline. Ils ont découvert qu’en remplaçant exactement la moitié des atomes de fer par des atomes de cobalt dont la configuration électronique légèrement différente signifiait que les atomes occupaient naturellement des points légèrement différents dans le cristal, ils pouvaient briser spontanément la symétrie cristalline naturelle des matériaux, ce qui altérait sa structure de spin.

Ce n’est pas facile à faire. Ces structures prennent des jours ou des mois à synthétiser, et nous avons traversé des centaines de cristaux, a déclaré Chen, qui est un expert dans la synthèse de matériaux aussi complexes.

Les co-auteurs Sandhya Susarla, chercheur postdoctoral au Berkeley Lab, et Yu-tsun Shao, chercheur postdoctoral à Cornell, ont confirmé la structure à l’échelle atomique et la structure électronique des matériaux complexes à l’aide des capacités de microscopie électronique au National Center for Electron Microscopy au Fonderie Moléculaire.

Il s’agit d’une découverte scientifique pure et complètement inattendue, a déclaré Ramamoorthy Ramesh, chercheur principal à la division des sciences des matériaux de Berkeley Labs et auteur correspondant principal de l’article. L’équipe essayait de manipuler la structure électronique et a découvert qu’en brisant la symétrie, le matériau pouvait héberger des skyrmions.

Parmi les autres auteurs du laboratoire de Berkeley, citons Robert Birgeneau, Jeff Neaton, Peter Fischer, Jie Yao, Kaichen Dong et Rui Chen.

Zhang a utilisé la microscopie à force magnétique pour imager les skyrmions sur de grandes surfaces de ces cristaux. En suivant l’évolution des skyrmions en fonction de la température et du champ magnétique, les chercheurs ont établi les conditions physiques qui ont conduit à leur stabilité. De plus, en faisant passer un courant électrique à travers le matériau, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient provoquer le déplacement des skyrmions dans le matériau, indépendamment des atomes qui ont conduit à leur formation en premier lieu.

Enfin, David Raftrey, chercheur étudiant diplômé du Berkeley Lab et de l’UC Santa Cruz, a effectué des simulations micromagnétiques pour interpréter les modèles électroniques observés dans ces matériaux.

Étant donné que les matériaux en couches peuvent être fabriqués avec une large gamme d’épaisseurs à température ambiante et au-dessus, les chercheurs pensent que leurs propriétés magnétiques peuvent être améliorées et étendues. Nous étions intéressés par la microélectronique, mais les questions fondamentales sur la physique des matériaux nous inspirent vraiment, a déclaré Zhang.

Cette recherche a été soutenue en partie par le DOE Office of Science.

La fonderie moléculaire est une installation utilisateur du DOE Office of Science située au Berkeley Lab.

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Fondé en 1931 sur la conviction que les plus grands défis scientifiques sont mieux relevés par des équipes, le Lawrence Berkeley National Laboratory et ses scientifiques ont été récompensés par 13 prix Nobel. Aujourd’hui, les chercheurs du Berkeley Lab développent des solutions énergétiques et environnementales durables, créent de nouveaux matériaux utiles, repoussent les frontières de l’informatique et sondent les mystères de la vie, de la matière et de l’univers. Des scientifiques du monde entier comptent sur les installations des laboratoires pour leur propre découverte scientifique. Berkeley Lab est un laboratoire national multiprogramme, géré par l’Université de Californie pour le Bureau des sciences du Département américain de l’énergie.

L’Office of Science du DOE est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, veuillez visiter energy.gov/science.

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