Des physiciens dévoilent l’aimant le plus fin au monde

Des scientifiques américains ont mis au point le matériau magnétique bidimensionnel le plus fin au monde. Une percée qui pourrait ouvrir de nouvelles possibilités dans le domaine de l’informatique et de l’électronique.

Une finesse record

Depuis plusieurs années, les chercheurs s’attachent à identifier des matériaux bidimensionnels dotés de propriétés magnétiques. Dans le cadre de travaux récemment publiés dans la revue Nature Communications, une équipe de scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l’université de Californie à Berkeley sont parvenus à corriger l’une des faiblesses des aimants 2D développés jusqu’à présent : une instabilité à température ambiante leur faisant perdre leur magnétisme.

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« Les aimants 2D de pointe ont besoin de très basses températures pour fonctionner », explique Jie Yao, auteur principal de l’étude. « Mais pour des raisons pratiques, un centre de données doit fonctionner à température ambiante. Notre aimant 2D n’est pas seulement le premier à fonctionner à température ambiante ou plus, mais c’est aussi le premier aimant à atteindre la véritable limite 2D : il est aussi fin qu’un atome ! »

Les scientifiques ont commencé par un mélange d’oxyde de graphène, de zinc et de cobalt qui a été chauffé en laboratoire et transformé en une couche d’oxyde de zinc parsemée d’atomes de cobalt. D’une épaisseur d’un seul atome, cette couche a été prise en sandwich entre deux couches de graphène, qui ont ensuite été brûlées pour laisser un film magnétique en 2D.

Des propriétés magnétiques stables jusqu’à 100 °C

Grâce à des expériences complémentaires, l’équipe a découvert que le magnétisme pouvait être modifié en changeant la quantité de cobalt dans le matériau. Une concentration de 5 à 6 % d’atomes de cobalt a donné un aimant relativement faible, tandis que l’augmentation de la concentration à 12 % a créé un aimant très puissant. L’augmentation de la concentration à 15 % a conduit à ce que les scientifiques appellent un état quantique de « frustration », où des états magnétiques contradictoires au sein du matériau sont en compétition les uns avec les autres.

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L’équipe a constaté que, contrairement aux aimants 2D précédemment développés, le matériau conservait ses propriétés magnétiques non seulement à température ambiante, mais aussi à des températures allant jusqu’à 100 °C.

« Notre système magnétique 2D présente un mécanisme distinct par rapport aux aimants 2D précédents », explique Rui Chen, co-auteur de l’étude. « Et nous pensons que ce mécanisme unique est dû aux électrons libres dans l’oxyde de zinc. »

Stocker des données à des densités beaucoup plus élevées

L’aimant 2D de l’équipe est un million de fois plus fin qu’une feuille de papier et peut être plié dans presque toutes les formes. L’une des applications prometteuses de cette technologie réside dans le stockage des données. Les dispositifs de mémoire utilisés aujourd’hui reposent sur des films magnétiques très fins, mais toujours tridimensionnels et mesurant des centaines ou des milliers d’atomes d’épaisseur. Des aimants plus fins, notamment d’un seul atome, permettraient de stocker des données à des densités beaucoup plus élevées.

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Le matériau offre également de nouveaux modes d’étude dans le monde de la physique quantique en permettant l’observation individuelle d’atomes magnétiques et des interactions entre eux. Une autre possibilité concerne le domaine de la spintronique, où le spin des électrons plutôt que leur charge serait utilisé pour stocker et manipuler des données. Les scientifiques imaginent que l’aimant 2D pourrait faire partie d’un dispositif compact facilitant ces processus.

« Je pense que la découverte de ce nouvel aimant robuste et véritablement bidimensionnel à température ambiante constitue une véritable percée », conclut Robert Birgeneau, également co-auteur de l’étude.