Des physiciens découvrent une étrange nouvelle forme de magnétisme dans le « graphène magnétique »

Dès l'enfance, on nous apprend que le monde existe en trois dimensions physiques. C'est vrai, pour l'essentiel, mais cela passe à côté de quelque chose d'assez fascinant : l'étrange monde bidimensionnel des matériaux à l'échelle nanométrique, comme le 'matériau merveilleux' graphène .

Le graphène et son ingénierie, homologues à une seule couche existent en fait en trois dimensions, bien qu'à peine - assis juste à la frange, atomiquement parlant. C'est parce que ces soi-disant matériaux 2D n'ont qu'un seul atome d'épaisseur, incarnant une incroyable finesse structurelle qui leur confère toutes sortes de pouvoirs étranges.

Nous voyons cela dansla formidable force du graphène, et dans la manière dont ilapproche la supraconductivité.

Les choses deviennent encore plus étrangesquand le graphène se fait des amis: empiler des feuilles de ce matériau bidimensionnel en un sandwich à trois couches de trois atomes de haut, et unune forme rare de supports de magnétisme révélée.

Maintenant, dans un nouvelle étude sous la direction de physiciens de l'Université de Cambridge, des scientifiques ont réussi le même type d'exploit magnétique avec un matériau bidimensionnel différent appelé trisulfure de fer et de phosphore (FePS₃).

(Université de Cambridge)

Ci-dessus : Illustration de la structure magnétique du trisulfure de fer et de phosphore (FePS₃), un matériau bidimensionnel qui subit une transition d'un isolant à un métal lorsqu'il est comprimé.

FePS₃n'est pas la même chose que le graphène - qui est composé d'une seule couche d'atomes de carbone - mais il est souvent surnommé «graphène magnétique», en raison de ses mystérieuses capacités à des dimensions ultra-minces en couches.

Dans un étude précédente par certains des mêmes chercheurs, l'équipe a découvert que lorsque des couches écrasées de FePS₃ont été soumis à des niveaux de pression élevés, le matériau est passé d'un isolant, empêchant le flux d'électrons, à un état métallique où il est devenu conducteur.

Mais les chercheurs n'ont toujours pas complètement compris ce qui sous-tend le comportement magnétique de ce «graphène magnétique» sous pression, car on s'attendait à ce que FePS₃cesserait d'être magnétique lorsqu'il passerait à l'état métallique.

'La pièce manquante est restée cependant, le magnétisme', dit le physicien quantique Matthew 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 rendre cela possible.'

Selon la nouvelle recherche, FePS₃conserve son magnétisme sous une pression extrêmement élevée en raison d'un nouveau type de magnétisme qui existe encore pendant la phase métallique.

'À notre grande surprise, nous avons constaté que le magnétisme survit et est à certains égards renforcé', explique chercheur principal et physicien Siddharth Saxena, chef de groupe au laboratoire Cavendish de Cambridge.

'Ceci est inattendu, car les électrons nouvellement en liberté dans un matériau nouvellement conducteur ne peuvent plus être verrouillés sur leurs atomes de fer parents, y générant des moments magnétiques - à moins que la conduction ne provienne d'une source inattendue.'

Bien que nous n'ayons pas encore toutes les réponses sur ce qui se passe ici, pendant la compression, le 'spin' des électrons dans le matériau semble être une source de magnétisme - et le phénomène peut être réglé en fonction de la pression FePS₃est sujet à.

Bien que les résultats contredisent les observations précédentes sur la façon dont ce matériau devrait se comporter, les surprises trouvées ici suggèrent que nous pourrions être en mesure de modifier encore plus le graphène magnétique et ses semblables - en trouvant potentiellement des matériaux qui supportent supraconductivité à cause de ces formes exotiques de magnétisme que nous ne comprenons pas encore complètement.

'Nous ne savons pas exactement ce qui se passe au niveau quantique, mais en même temps, nous pouvons le manipuler', Saxena dit .

'C'est comme ces fameuses 'inconnues inconnues': nous avons ouvert une nouvelle porte sur les propriétés de l'information quantique, mais nous ne savons pas encore quelles pourraient être ces propriétés.'

Les découvertes sont rapportées dans Examen physique X .