De fines couches de deux métaux non magnétiques – le cuivre et le manganèse – deviennent des aimants lorsqu’elles sont en contact avec des molécules de buckminsterfullerène. Cette découverte a été faite par des physiciens au Royaume-Uni, aux États-Unis et en Suisse, et pourrait conduire à de nouveaux types d’appareils électroniques pratiques et même à des ordinateurs quantiques.
Les ferromagnétiques – tels que les aimants de réfrigérateur familiers – sont des matériaux qui ont des moments magnétiques permanents. Il n’y a que trois métaux ferromagnétiques à température ambiante – le fer, le nickel et le cobalt – et cela s’explique en termes de « critère de Stoner », qui a été dérivé pour la première fois en 1938 à l’Université de Leeds par Edmund Stoner.
Stoner savait que le magnétisme dans les métaux est une propriété des électrons de conduction. Ces électrons sont soumis à l’interaction d’échange qui leur permet de réduire leur énergie en alignant leurs moments magnétiques de spin dans la même direction – créant ainsi un métal ferromagnétique. Cependant, avoir des spins ce point dans la même direction augmente l’énergie cinétique globale des électrons. Stoner a réalisé que le ferromagnétisme ne se produira que lorsque la réduction d’énergie causée par l’échange sera supérieure au gain d’énergie cinétique. Quantitativement, il a montré que cela se produit lorsque le produit de la densité électronique des états (DOS) – le nombre d’états énergétiques disponibles pour les électrons – et la force de l’interaction d’échange (notée U) est supérieur à un.
Donner un coup de pouce à U
U est appelé le critère de Stoner, et il est supérieur à un pour le fer, le nickel et le cobalt, mais pas pour leurs voisins du tableau périodique – le manganèse et le cuivre. Maintenant, une équipe internationale comprenant Fatma Al Ma’Marri et Tim Moorsom de l’Université de Leeds au Royaume-Uni a trouvé un moyen de stimuler l’interaction DOS et échange dans le cuivre et le manganèse afin qu’ils soient ferromagnétiques à température ambiante.
L’équipe a réalisé ses échantillons en déposant plusieurs couches alternées de C60 et de cuivre (ou manganèse) sur un substrat. Les couches de cuivre ont une épaisseur d’environ 2,5 nm et les couches C60 d’environ 15 nm. C60 est utilisé car il a une grande affinité électronique, ce qui signifie que chaque molécule prendra jusqu’à trois électrons de conduction du cuivre. Cela devrait augmenter à la fois le DOS et la force de l’interaction d’échange dans le cuivre.
L’équipe a ensuite mesuré l’aimantation des échantillons en couches et a constaté qu’il s’agissait de matériaux ferromagnétiques. Les chercheurs ont également examiné des échantillons dans lesquels les couches de cuivre et de C60 étaient séparées par des couches d’aluminium et n’ont trouvé aucune preuve de magnétisme, ce qui suggère que le ferromagnétisme se produit aux interfaces entre le cuivre et le C60. Cela a été confirmé par des expériences utilisant des muons, qui sont sensibles à la profondeur et ont montré que le ferromagnétisme se produit dans le cuivre près de l’interface C60. L’équipe a également trouvé du ferromagnétisme à température ambiante dans les couches C60 / manganèse, mais avec une aimantation plus faible.
Champ critique
Étonnamment, lorsque les chercheurs ont calculé U pour leurs échantillons de cuivre, ils ont constaté qu’il était inférieur à un. En d’autres termes, les échantillons n’auraient pas dû être ferromagnétiques selon le critère de Stoner. Cependant, d’autres études théoriques suggèrent que les échantillons devraient devenir du ferromagnétique lorsqu’ils sont exposés à un champ magnétique relativement faible – ce qui se serait produit pendant la préparation des échantillons. Cela suggère que d’autres métaux non magnétiques pourraient être rendus ferromagnétiques en stimulant U, mais pas nécessairement jusqu’à un.
Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour augmenter la résistance des aimants en cuivre et en manganèse, les recherches pourraient aboutir au développement de nouveaux types de minuscules composants magnétiques. Ceux-ci pourraient être utilisés dans les dispositifs spintroniques, qui utilisent le spin de l’électron pour stocker et traiter des informations, ou même dans les ordinateurs quantiques dans lesquels les spins électroniques sont utilisés comme bits quantiques d’information.
La recherche est décrite dans Nature.