Réaliser un matériau électronique sur mesure
Villigen, 21.09.2020 - Des chercheurs du PSI ont acquis des connaissances fondamentales sur un matériau prometteur qui pourrait entrer en ligne de compte pour de futures applications dans le domaine du stockage de données. Dans le cadre de leurs expériences avec de l’oxyde de strontium-iridium Sr2IrO4, ils ont étudié simultanément le magnétisme et les propriétés électroniques de couches minces de ce matériau et analysé comment ajuster ces propriétés en déformant ces mêmes films de manière ciblée. Cette étude a pu être réalisée grâce à une technologie de rayons X, où le PSI excelle et figure parmi les meilleurs au monde. Les résultats paraissent aujourd’hui dans la revue spécialisée Proceedings of the National Academy of Sciences.
Pour les mémoires de données magnétiques du futur, les chercheurs sont en quête de matériaux adéquats dotés de propriétés si possible ajustables en fonction des besoins. L'oxyde de strontium-iridium - un oxyde métallique qui porte la notation chimique Sr2IrO4 - se profile comme un candidat prometteur. Des chercheurs du PSI ont analysé ce matériau avec des collègues de Pologne, des Etats-Unis et de France.
«Spintronique est le mot-clé de notre recherche», explique Thorsten Schmitt, responsable du groupe de recherche Spectroscopie de matériaux innovants. La spintronique n'exploite pas seulement la charge électrique de l'électron, mais aussi sa direction de rotation intérieure, le spin, pour développer de meilleurs composants électroniques.
Aujourd'hui déjà, il existe des applications de la spintronique dans les disques durs. Mais les matériaux utilisés sont «normalement» magnétiques, autrement dit, il s'agit de ferroaimants comme le fer ou le nickel, où les spins sont orientés de manière parallèle les uns par rapport aux autres. Leur problème est le suivant: les points de stockage de données ferromagnétiques, c'est-à-dire les bits, doivent être disposés de manière relativement écartée les uns par rapport aux autres pour ne pas se perturber mutuellement. Les experts nourrissent des attentes particulièrement importantes envers l'utilisation de matériaux antiferromagnétiques, où les spins sont orientés dans des directions opposées. Vus de l'extérieur, les antiferroaimants sont donc neutres sur le plan magnétique. De ce fait, un bit antiferromagnétique ne perturberait pas son voisin. «Ces bits pourraient donc être disposés de manière plus serrée, ce qui veut dire que nous aurions davantage de données dans un espace plus restreint, relève Thorsten Schmitt. Par ailleurs, cela permettrait d'inscrire et de lire les données plus rapidement.»
L'oxyde de strontium-iridium étudié est un matériau antiferromagnétique. Il s'agit d'un cristal au sein duquel les atomes d'iridium et d'oxygène forment de minuscules octaèdres. «Nous parlons de structure pérovskite, détaille Milan Radovic, physicien au PSI et co-auteur de la nouvelle étude. C'est un matériau qui se prête de manière idéale à la manipulation ciblée de ses propriétés fonctionnelles.»
Déformer des couches minces
Pour réaliser une telle manipulation et en apprendre davantage sur les propriétés de ce matériau prometteur, les chercheurs du PSI ont appliqué en film principal une mince couche cristalline de Sr2IrO4 sur différents matériaux cristallins de support. L'astuce est la suivante: c'est le matériau de support qui assure la déformation du film dont il a été revêtu. «C'est comme si nous étirions ou comprimions le matériau au niveau de ses atomes», explique Thorsten Schmitt. Les octaèdre de la pérovskite se décalent alors légèrement les uns vers les autres. Ce qui finit par induire une modification complète des propriétés du matériau.
Le clou de cette méthode est qu'elle permet d'ajuster de manière ciblée et particulièrement fine les propriétés magnétiques et électroniques du matériau. Et comme les composants électroniques de ce type de matériau peuvent être utilisés sous forme de couche mince, des applications dans ce domaine se conçoivent aisément.
Obtenir un tableau global
Pour analyser leurs échantillons de matériaux en détail, les chercheurs du PSI ont recouru à une technologie spéciale de rayons X, qui a connu un développement décisif au PSI. Cette méthode s'appelle «diffusion inélastique résonante des rayons X», abrégée RIXS (en anglais: «Resonant Inelastic X-Ray-Scattering»). Les chercheurs au PSI ont utilisé la RIXS dans le cadre de leurs expériences avec de la lumière de type rayons X dits mous. En complément des travaux conduits en Suisse, d'autres mesures de précision avec des rayons X durs de haute énergie ont été réalisées à l'European Synchrotron Radiation Facility à Grenoble et à l'Advanced Photon Source à Argonne aux Etats-Unis.
«De nombreuses méthodes permettent d'examiner en détail soit le magnétisme, soit les propriétés électroniques, explique Thorsten Schmitt. La RIXS, en revanche, permet d'étudier les deux propriétés lors d'une même mesure et donc de les mettre directement en relation l'une avec l'autre. En résumé: nous voulions un tableau global de notre échantillon et nous l'avons obtenu.»
Les chercheurs ont, entre autres, pu comprendre comment les propriétés électroniques se modifiaient lorsque la grille cristalline du film de Sr2IrO4 était déformée et de quelle manière cette dynamique était couplée à la modification du magnétisme. Les deux vont de pair et cela fournit d'importantes connaissances pour des applications potentielles.
Les supraconducteurs comme modèles
Concrètement, le groupe a réussi à modifier l'oxyde de strontium-iridium de telle manière que les propriétés magnétiques se sont mis à ressembler davantage à une autre classe de matériaux intéressants: les oxydes de cuivre supraconducteurs à haute température, appelés cuprates. Ces derniers présentent eux aussi une structure pérovskite. Dans le cadre de leur expérience, les chercheurs ont étiré et tordu le film de Sr2IrO4 de manière à agrandir les distances de la structure cristalline et à induire une rotation supplémentaire. «Nous avons ainsi réussi à faire en sorte que le matériau ressemble davantage à un cuprate», note Thorsten Schmitt. «Mais cela ne suffit pas pour obtenir un nouveau supraconducteur», souligne encore le chercheur pour tempérer les espoirs exagérés. De la même manière, il estime qu'il faudra encore dix à vingt ans avant que les connaissances actuelles ne débouchent sur de nouvelles applications dans le domaine du stockage de données. «Notre tâche réside dans les études fondamentales, dont l'importance est néanmoins immense pour orienter dans la bonne direction les étapes décisives dans le développement de nouveaux matériaux», conclut-il.
Texte: Barbara Vonarburg
À propos du PSI
L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 400 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).
Publication originale
Strain-engineering of the charge and spin-orbital interactions in Sr2IrO4E. Paris, Y. Tseng, E.M. Pärschke, W. Zhang, M.H. Upton, A. Efimenko, K. Rolfs, D.E. McNally, L. Maurel, M. Naamneh, M. Caputo, V.N. Strocov, Z. Wang, D. Casa, C.W. Schneider, E. Pomjakushina, K. Wohlfeld, M. Radovic, T. Schmitt
Proceedings of the National Academy of Sciences 21 septembre 2020 (en ligne)
DOI: https://dx.doi.org/10.1073/pnas.2012043117
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