Magnétisme ou pas magnétisme ? L’influence des substrats sur les interactions électroniques —


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  • Une nouvelle étude à l’Université Monash illustre comment les substrats affectent les interactions électroniques fortes dans les cadres métallo-organiques bidimensionnels.

    Les matériaux à fortes interactions électroniques peuvent avoir des applications dans l’électronique économe en énergie. Lorsque ces matériaux sont placés sur un substrat, leurs propriétés électroniques sont modifiées par transfert de charge, déformation et hybridation.

    L’étude montre également que les champs électriques et la contrainte appliquée pourraient être utilisés pour « activer » et désactiver des phases interactives telles que le magnétisme, permettant des applications potentielles dans l’électronique à haut rendement énergétique.

    ACTIVER ET DÉSACTIVER LE MAGNÉTISME AVEC DES SUBSTRATS

    Les interactions fortes entre les électrons dans les matériaux donnent lieu à des effets tels que le magnétisme et la supraconductivité. Ces effets ont des utilisations dans la mémoire magnétique, la spintronique et l’informatique quantique, ce qui les rend attrayants pour les technologies émergentes.

    L’année dernière, une autre étude à Monash a découvert de fortes interactions électroniques dans un cadre métal-organique 2D. Les chercheurs ont trouvé des signatures de magnétisme dans ce matériau. Ils ont montré que ce magnétisme était dû à des interactions fortes qui n’étaient présentes que lorsque les composants non magnétiques étaient réunis.

    Ce matériau a été développé sur un substrat métallique. Le substrat était important pour la croissance et la mesure du matériau.

    Explicateur : cadre métallo-organique

    Un matériau cristallin où les molécules organiques sont reliées par des atomes métalliques. Les charpentes organométalliques peuvent présenter de nombreuses propriétés différentes en modifiant les molécules ou les atomes métalliques. Comprendre les excitations des quasi-particules et leurs interactions est crucial pour les efforts visant à contrôler les matériaux complexes (tels que les supraconducteurs à haute température et les isolants topologiques) qui pourraient constituer la base de l’électronique à basse énergie et du traitement de l’information quantique.

    « Nous avons observé cet effet lorsque le matériau a été cultivé sur de l’argent, mais pas lorsqu’il a été cultivé sur du cuivre, bien qu’ils soient très similaires », explique Bernard Field (Monash), co-auteur de l’étude précédente et auteur principal de l’étude actuelle. .

    « Donc, cela a soulevé la question : pourquoi le matériau s’est-il comporté si différemment sur différents substrats ? »

    Les chercheurs ont simulé la structure métallo-organique sur de nombreux substrats différents pour déterminer dans quelles conditions le magnétisme pouvait émerger.

    Ils ont également créé un modèle simple décrivant avec précision les phénomènes physiques dans leurs simulations à l’échelle atomique. Ce modèle a permis à l’équipe d’explorer rapidement et facilement une plus large gamme de systèmes avec un contrôle précis des paramètres importants.

    Trois variables clés ont été trouvées pour déterminer l’effet des substrats sur les interactions électroniques : le transfert de charge, la contrainte et l’hybridation du substrat.

    • Transfert de charge c’est quand un substrat donne ou prend des électrons du matériau 2D. L’effet des interactions était le plus fort lorsque le matériau avait un électron libre par molécule.
    • Souche c’est lorsqu’un substrat étire ou comprime le matériau 2D. Lorsque le matériau est étiré, les électrons ont du mal à se déplacer entre les molécules et les atomes, ils subissent donc plus fortement les interactions locales.
    • Hybridation c’est lorsque le caractère électronique du substrat et le matériau 2D sont mélangés en raison du couplage entre eux. Les substrats métalliques ont souvent une forte hybridation, ce qui peut supprimer le magnétisme. Mais les substrats isolants, tels que le nitrure de bore hexagonal atomiquement mince, ont une hybridation très faible et préservent les interactions électroniques dans le matériau.

    Avec cette compréhension de ce que sont les variables clés, il est possible d’envisager comment manipuler ces variables pour contrôler les interactions électroniques.

    L’étude a montré qu’un champ électrique pouvait activer et désactiver le magnétisme en modifiant le transfert de charge.

    Les champs électriques sont la façon dont les transistors existants fonctionnent. Le contrôle électrique des phases magnétiques est vital pour l’utilisation de ces matériaux dans les appareils électroniques.

    L’étude a également montré que la contrainte appliquée pouvait activer et désactiver le magnétisme. Ceci pourrait être réalisé en utilisant des matériaux piézoélectriques. C’est également une considération importante pour l’électronique flexible.

    « L’équipe continue d’étudier les interactions fortes dans les cadres métallo-organiques 2D, qui fournissent une plate-forme riche pour explorer la nouvelle physique quantique appliquée aux appareils électroniques économes en énergie », déclare l’auteur correspondant, le professeur Nikhil Medhekar (Département de science et d’ingénierie des matériaux de Monash). , qui a dirigé l’étude, « Nous étudions des méthodes plus avancées pour simuler des interactions fortes entre les électrons. »

    « Ce travail fournit des prédictions quantitatives, en utilisant divers formalismes théoriques, sur les propriétés électroniques des nanomatériaux de faible dimension sur un large éventail de substrats et de conditions », déclare le co-auteur A/Prof Agustin Schiffrin (Monash School of Physics and Astronomy), qui mène des recherches expérimentales sur ces matériaux, « Cela peut guider les futures expériences dans le monde réel, ce qui est extrêmement précieux pour les chercheurs expérimentaux. »

    Cette étude a été soutenue par l’Australian Research Council (programmes Centre of Excellence et Future Fellowship). Les ressources pour les calculs numériques ont été fournies par la National Computing Infrastructure (NCI) et le Pawsey Supercomputing Centre.

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