Le « graphène magnétique » forme un nouveau type de magnétisme

Des chercheurs ont identifié une nouvelle forme de magnétisme dans le graphène magnétique. Elle pourrait notamment permettre de comprendre la supraconductivité dans ce type de matériau inhabituel. Les chercheurs, dirigés par l’université de Cambridge, ont pu contrôler la conductivité et le magnétisme du thiophosphate de fer (FePS₃), un matériau bidimensionnel qui passe d’un isolant à un 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 se produit lorsque du graphène magnétique passe d’isolant à conducteur et à son état métallique non conventionnel. Ils ont réalisés l’expérience uniquement dans des conditions de pression ultra élevée. Lorsque le matériau devient métallique, il reste magnétique, ce qui est contraire aux résultats précédemment obtenus par d’autres équipes et fournit des indices sur le fonctionnement de la conduction électrique dans la phase métallique. La phase magnétique à haute pression récemment découverte forme probablement un précurseur de la supraconductivité. Il est donc crucial de comprendre ses mécanismes.

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

Des propriétés dynamiques spectaculaires

Les propriétés de la matière peuvent changer de façon spectaculaire avec l’évolution de la dimension. 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. « Mais imaginez si vous pouviez également modifier toutes ces propriétés en ajoutant du magnétisme », déclare l’auteur principal, le Dr Matthew Coak, qui travaille conjointement au laboratoire Cavendish 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 modifient radicalement leurs propriétés lorsqu’ils sont soumis à une pression afin que nous puissions contrôler leur comportement ».

Dans une étude précédente menée par Sebastian Haines du laboratoire Cavendish de Cambridge et du département des sciences de la terre, les chercheurs ont établi que le matériau devient un métal à haute pression, et ont décrit comment la structure cristalline et l’arrangement des atomes dans les couches de ce matériau 2-D changent au cours de la transition.

« La pièce manquante est cependant restée, le magnétisme », a déclaré M. 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 le rendre possible ».

Pressions record, enclumes en diamant et neutrons spéciaux

Les chercheurs ont utilisé de nouvelles techniques pour mesurer la structure magnétique jusqu’à des pressions record, en utilisant des enclumes en diamant et des neutrons spécialement conçus pour servir de sonde du magnétisme. Ils ont ensuite pu suivre l’évolution du magnétisme jusqu’à l’état métallique.

« À notre surprise, nous avons découvert que le magnétisme survit et est en quelque sorte renforcé », a déclaré le Dr Siddharth Saxena, co-auteur de l’étude et chef de groupe au laboratoire Cavendish. « C’est inattendu, car les nouveaux électrons qui circulent librement dans un nouveau matériau conducteur ne peuvent plus être verrouillés à leurs atomes de fer parents, ce qui génère des moments magnétiques à cet endroit – à moins que la conduction ne provienne d’une source inattendue ».

Dans leur article précédent, les chercheurs ont montré que ces électrons étaient « gelés » dans un sens. Mais lorsqu’ils les faisaient circuler ou bouger, ils commençaient à interagir de plus en plus. Le magnétisme survit donc, mais il est modifié sous de nouvelles formes, ce qui donne naissance à de nouvelles propriétés quantiques dans un nouveau type de métal magnétique.

Le comportement d’un matériau, qu’il soit conducteur ou isolant, dépend principalement de 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 magnétiques et pointent dans une certaine direction. Le magnétisme issu 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 façon 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 co-auteur, le Dr David Jarvis de l’Institut Laue-Langevin, en France, qui a effectué ce travail comme base de ses études de doctorat au Laboratoire Cavendish. « Trouver cette sorte de multifonctionnalité quantique est un autre 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’ : nous avons ouvert une nouvelle porte aux propriétés de l’information quantique, mais nous ne savons pas encore quelles sont ces propriétés ».

Il y a plus de composés chimiques potentiels à synthétiser qu’on ne pourrait jamais en explorer et en caractériser complètement. Mais en sélectionnant et en accordant avec soin des matériaux aux propriétés particulières, il est possible de montrer la voie vers la création de composés et de systèmes, mais sans avoir à appliquer d’énormes quantités de pression. En outre, la compréhension fondamentale de phénomènes tels que le magnétisme de faible dimension et la supraconductivité permet aux chercheurs de faire les prochains pas en avant dans la science et l’ingénierie des matériaux, avec un potentiel particulier en matière d’efficacité, de production et de stockage de l’énergie.

En ce qui concerne le graphène magnétique, les chercheurs prévoient de poursuivre la recherche sur 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’ajuster ses propriétés en ajoutant des électrons libres en le comprimant davantage », a déclaré Coak.

« Ce que nous recherchons, c’est la supraconductivité », déclare 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 ».