Les effets quantiques libèrent de nouvelles propriétés magnétiques

Le matériau semi-conducteur bidimensionnel disulfure de molybdène est rempli d'électrons (sphères rouges). L'interaction électron-électron provoque l'alignement des spins de tous les électrons (flèches rouges) dans la même direction. L'énergie d'échange nécessaire pour retourner le spin d'un seul électron à l'état ferromagnétique peut être déterminée par la séparation entre deux lignes spectrales spécifiques. Crédit : N. Leisgang, Université Harvard, anciennement Département de physique, Université de Bâle/Scixel

Une étude a étendu le champ d'application des matériaux ferromagnétiques pour inclure le disulfure de molybdène, montrant qu'il peut présenter des propriétés similaires au fer dans certaines conditions. Cela comprend la mesure de l'énergie nécessaire pour modifier ses spins électroniques, mettant en avant sa stabilité potentielle et son utilité.

Le ferromagnétisme est un phénomène physique important qui joue un rôle clé dans de nombreuses technologies. Il est bien connu que des métaux tels que le fer, le cobalt et le nickel sont magnétiques à température ambiante car leurs spins électroniques sont alignés de manière parallèle, et ce n'est qu'à très haute température que ces matériaux perdent leurs propriétés magnétiques.

Des chercheurs dirigés par le Professeur Richard Warburton du Département de physique et de l'Institut suisse de nanoscience de l'Université de Bâle ont montré que le disulfure de molybdène présente également des propriétés ferromagnétiques dans certaines conditions. Lorsqu'il est soumis à des températures basses et à un champ magnétique externe, les spins des électrons dans ce matériau pointent tous dans la même direction.

Dans leur dernière étude, publiée dans la revue Physical Review Letters, les chercheurs ont déterminé la quantité d'énergie nécessaire pour retourner le spin d'un électron individuel dans cet état ferromagnétique. Cette "énergie d'échange" est importante car elle décrit la stabilité du ferromagnétisme.

« Nous avons excité le disulfure de molybdène en utilisant un laser et analysé les lignes spectrales émises », explique le Dr Nadine Leisgang, principale auteure de l'étude. Étant donné que chaque ligne spectrale correspond à une longueur d'onde et une énergie spécifiques, les chercheurs ont pu déterminer l'énergie d'échange en mesurant la séparation entre des lignes spectrales spécifiques. Ils ont constaté que dans le disulfure de molybdène, cette énergie n'est que d'environ 10 fois plus petite que dans le fer, ce qui indique que le ferromagnétisme du matériau est très stable.

« Bien que la solution semble simple, il a fallu un travail d'enquête considérable pour attribuer correctement les lignes spectrales », déclare Warburton.

Les matériaux bidimensionnels jouent un rôle clé dans la recherche sur les matériaux grâce à leurs propriétés physiques spéciales, qui résultent d'effets mécaniques quantiques. Ils peuvent également être empilés pour former des "hétérostructures de van der Waals".

Dans l'exemple vu dans cette étude, la couche de disulfure de molybdène est entourée de nitrure de bore hexagonal et de graphène. Ces couches sont maintenues ensemble par des liaisons de van der Waals faibles et présentent un intérêt dans les domaines de l'électronique et de l'optoélectronique en raison de leurs propriétés uniques. Comprendre leurs propriétés électriques et optiques est vital pour les appliquer aux technologies futures.