Le bisulfure de molybdène, un matériau semi-conducteur bidimensionnel, 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 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, Université Harvard, anciennement Département de physique, Université de Bâle/Scixel
Une étude a étendu le champ d'application des matériaux ferromagnétiques au disulfure de molybdène, montrant qu'il peut présenter des propriétés similaires à celles du fer dans certaines conditions. Cela comprend la mesure de l'énergie nécessaire pour modifier ses spins électroniques, soulignant ainsi sa stabilité et son utilité potentielles.
Le ferromagnétisme est un phénomène physique important qui joue un rôle clé dans de nombreuses technologies. Il est bien connu que les métaux tels que le fer, le cobalt et le nickel sont magnétiques à température ambiante car leurs spins électroniques sont alignés en parallèle. Ce n'est qu'à des températures très élevées que ces matériaux perdent leurs propriétés magnétiques.
Découverte de nouvelles propriétés ferromagnétiques
Des chercheurs dirigés par le professeur Richard Warburton du Département de physique et de l'Institut suisse de nanosciences 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 de basses températures et à un champ magnétique externe, les spins des électrons de ce matériau pointent tous dans la même direction.
Dans leur dernière étude, publiée dans la revue Lettres d'examen physiqueles chercheurs ont déterminé la quantité d’énergie nécessaire pour inverser le spin d’un électron individuel dans cet état ferromagnétique. Cette « énergie d’échange » est importante car elle décrit la stabilité du ferromagnétisme.
Le travail de détective a donné lieu à une solution simple
« Nous avons excité du disulfure de molybdène à l’aide d’un laser et analysé les lignes spectrales qu’il émet », explique la Dre Nadine Leisgang, principale auteure de l’étude. Étant donné que chaque ligne spectrale correspond à une longueur d’onde et à 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 est seulement environ 10 fois plus faible 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 de détective considérable pour attribuer correctement les lignes spectrales », explique Warburton.
Matériaux 2D dans la technologie moderne
Les matériaux bidimensionnels jouent un rôle clé dans la recherche sur les matériaux grâce à leurs propriétés physiques particulières, qui résultent des effets de la mécanique quantique. 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 graphèneCes 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 grâce à leurs propriétés uniques. La compréhension de leurs propriétés électriques et optiques est essentielle pour les appliquer aux technologies du futur.
