Le ferromagnétisme, phénomène physique crucial, joue un rôle clé dans de nombreuses technologies. Bien connu pour des métaux comme le fer, le cobalt et le nickel, ce phénomène se manifeste à température ambiante grâce à l’alignement parallèle des spins électroniques. A des températures très élevées, ces matériaux perdent toutefois leurs propriétés magnétiques.
Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Richard Warburton du Département de Physique et de l’Institut Suisse de Nanosciences de l’Université de Bâle a démontré que le disulfure de molybdène présente également des propriétés ferromagnétiques dans certaines conditions. À basses températures et sous l’influence d’un champ magnétique externe, les spins électroniques de ce matériau s’orientent tous dans la même direction.
Énergie d’échange et stabilité du ferromagnétisme
Dans leur dernière étude, les chercheurs ont déterminé l’énergie nécessaire pour inverser un spin électronique individuel dans cet état ferromagnétique. Cette «énergie d’échange» est cruciale car elle décrit la stabilité du ferromagnétisme. L’équipe a excité le disulfure de molybdène à l’aide d’un laser et analysé les lignes spectrales émises.
Dr. Nadine Leisgang, auteure principale de l’étude, explique : « Nous avons excité le disulfure de molybdène à l’aide d’un laser et analysé les lignes spectrales qu’il émettait. »
Chaque ligne spectrale correspondant à une longueur d’onde et une énergie spécifiques, les chercheurs ont pu déterminer l’énergie d’échange en mesurant la séparation entre certaines lignes spectrales. Ils ont découvert que, dans le disulfure de molybdène, cette énergie est environ 10 fois plus faible que dans le fer, indiquant une grande stabilité du ferromagnétisme.
« Bien que la solution semble simple, il a fallu un travail de détective considérable pour attribuer correctement les lignes spectrales », ajoute Richard Warburton.
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Matériaux bidimensionnels et hétérostructures de van der Waals
Les matériaux bidimensionnels (2D) occupent une place centrale dans la recherche sur les matériaux grâce à leurs propriétés physiques particulières, résultant des effets mécaniques quantiques. Ils peuvent également être empilés pour former des «hétérostructures de van der Waals».
Dans l’exemple de cette étude, la couche de disulfure de molybdène est entourée de nitrure de bore hexagonal et de graphène. Ces couches, maintenues ensemble par des liaisons faibles de van der Waals, suscitent un grand intérêt dans les domaines de l’électronique et de l’optoélectronique en raison de leurs propriétés uniques. Comprendre leurs propriétés électriques et optiques est essentiel pour les appliquer aux technologies futures.
Légende illustration : Le disulfure de molybdène, matériau semi-conducteur bidimensionnel, est rempli d’électrons (sphères rouges). L’interaction électron-électron fait que les spins de tous les électrons (flèches rouges) s’alignent dans la même direction. L’énergie d’échange nécessaire pour inverser le spin d’un seul électron dans l’état ferromagnétique peut être déterminée par la séparation entre deux lignes spectrales spécifiques. Crédit : N. Leisgang, Harvard University, formerly Department of Physics, University of Basel/Scixel
Article : « Exchange Energy of the Ferromagnetic Electronic Ground State in a Monolayer Semiconductor » – DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.026501
