Orienter les spins dans une couche mince magnétique grâce à l’interface avec un isolant 2D

Certains comportements observés dans les couches magnétiques ultra-minces comme l’anisotropie qui donne une orientation préférentielle à l’aimantation ou l’interaction d’échange qui tend à aligner les moments magnétiques entre eux reposent sur des effets d’interfaces. Une interaction d’échange antisymétrique dite « Dzyaloshinskii-Moriya » (DMI) a été révélée il y a quelques années à l’interface entre une couche ferromagnétique et une couche de métal « lourd », à fort couplage spin-orbite (Pt, Or, Ir…). Des prédictions théoriques indiquaient que cette même interaction pourrait être observée en remplaçant le métal lourd par un matériau 2D.

Pour la première fois, des chercheurs et chercheuses du Laboratoire de Physique des Solides (LPS, CNRS / Université Paris-Saclay) ont fabriqué une interface Co/h-BN ultra-propre en maitrisant la croissance des couches ultraminces de cobalt sous ultravide et en déposant des cristaux bidimensionnels – des flocons - de h-BN par exfoliation mécanique in-situ. Ils ont rapporté l'observation expérimentale de fortes DMI et anisotropie perpendiculaire induites par des pétales de h-BN sur un film ultra-mince ferromagnétique de cobalt.

La DMI de l’interface Co/h-BN a été mesurée avec différentes couches tampons en utilisant la spectroscopie d’ondes de spin par diffusion inélastique de la lumière (effet Brillouin). En plus d'être comparable aux valeurs record obtenues dans les hétérostructures métalliques Pt/Co, la DMI de Co/h-BN est d'un signe qui renforce celle de Pt/Co lorsqu’elles sont combinées, favorisant la formation de skyrmions (Figure). D’une façon surprenante, ces effets forts prennent naissance en l'absence du couplage spin-orbite dans la couche de h-BN par ailleurs isolante, ce qui soulève des questions théoriques, la DMI étant jusqu’alors associée à un métal lourd présentant un fort couplage spin-orbite.

Ces résultats, en plus de questions de nature fondamentales, ouvrent de nouvelles possibilités d'intégration de matériaux bidimensionnels (2D) larges mais atomiquement minces dans les dispositifs de spin-orbitronique.