Pourquoi de minuscules inclusions rendent un aimant plus fort
Un aimant, c'est un peu un orchestre : les violons et les trompettes jouent des partitions différentes, mais ensemble ils produisent une sonorité puissante. Dans le matériau lamellaire Fe5GeTe2 dopé au nickel, ce sont de minuscules régions d'une autre phase, les nanoprécipités Fe6GeTe2, qui tiennent le rôle de ces instruments. Ce sont eux, et non le nickel lui-même, qui font que le matériau reste magnétique à une température de 478 kelvins, soit 205 degrés Celsius. C'est la température de Curie la plus élevée parmi les ferromagnétiques de van der Waals massifs.
Pendant longtemps, on ne comprenait pas pourquoi l'ajout de nickel, qui n'est pas magnétique en soi dans ce système, faisait monter la température de Curie de plus de 170 kelvins, alors que l'aimantation totale diminuait. Les chercheurs ont examiné le cristal sous tous les angles : ils l'ont traversé d'un faisceau d'électrons, mesuré la diffraction des rayons X, dressé des cartes d'aimantation avec une résolution d'environ 10 nanomètres et même exploré la structure de spin des bandes électroniques. Résultat : dans les domaines riches en fer, toutes les positions du fer, y compris la position Fe(1) habituellement à moitié vide, sont presque entièrement occupées. C'est précisément la phase Fe6GeTe2, qui à l'état pur se situe à la limite de la stabilité et n'avait jusqu'ici été cultivée qu'avec une température de Curie inférieure de 25 %.
Maintenant, l'orchestre joue de façon harmonieuse. Auparavant, on ne comprenait pas pourquoi l'ajout de nickel dans Fe5GeTe2 porte la température de Curie jusqu'au record de 478 K, alors que l'aimantation totale diminue, ni quel était le rôle de la séparation de phases observée. Aujourd'hui, c'est clair : la température de Curie élevée provient des nanoprécipités de la phase Fe6GeTe2, stabilisés par la déformation, et à l'intérieur de cette phase, les différentes positions du fer se répartissent les fonctions. Ce mécanisme ouvre la voie à une ingénierie atomique des métaux magnétiques de van der Waals par le contrôle des nanoprécipités, par analogie avec les alliages métalliques classiques, où les nanoprécipités servent depuis longtemps à ajuster les propriétés. L'intérêt pratique est déjà visible : cette méthode de contrôle des nanoprécipités peut servir à créer des aimants de van der Waals avec une température de Curie et un champ coercitif donnés, ce qui compte pour la spintronique et la mémoire magnétique.
La température de Curie de 478 K dans (Ni0.36Fe0.64)5.38GeTe2 est la plus élevée parmi les ferromagnétiques de van der Waals massifs : elle dépasse de près de 75% la température de Curie du nickel pur (627 K), alors que le nickel, dans ce système, n'est pas magnétique en lui-même. La phase Fe6GeTe2 obtenue à l'état pur avait été prédite comme se situant à la limite de la stabilité thermodynamique, et jusqu'ici on n'avait réussi à la faire croître qu'en épitaxie, avec une température de Curie inférieure de 25% à celle des nanoprécipités.
L'idée de nanoprécipités qui stabilisent une phase inhabituelle et confèrent au matériau des propriétés record fait écho au concept de « poussière intelligente » de la science-fiction, où des particules microscopiques produisent collectivement une réponse macroscopique. Dans le roman de Stanislas Lem « L'Invincible », des microparticules auto-organisées engendrent un comportement complexe, à l'image des nanoprécipités de Fe6GeTe2 qui gouvernent le ferromagnétisme de tout le cristal.