Les matériaux utilisés dans les appareils électroniques sont généralement choisis parce qu'ils possèdent des propriétés magnétiques ou électriques spéciales. Cependant, une équipe internationale de chercheurs utilisant la diffusion neutronique a récemment identifié un matériau rare qui possède les deux.

Dans leur article publié en Matériaux avancés , l'équipe, y compris des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE), illustre comment ce mariage unique est réalisé dans le matériau multiferroïque BiMn3Cr4O12. De nombreux matériaux sont connus pour une seule propriété magnétique ou électrique caractéristique, ou pour avoir la capacité de changer de forme, mais les multiferroïques contiennent une combinaison de ces attributs.

Les multiferroïques sont généralement divisés en deux catégories distinctes :conventionnels (type-1) et non conventionnels (type-2). Les multiferroïques conventionnels sont principalement contrôlés par l'électricité et présentent de faibles interactions avec le magnétisme. Inversement, Les multiferroïques non conventionnels sont entraînés par le magnétisme et présentent de fortes interactions électriques.

"Nous avons trouvé un exemple intéressant de multiferroïcité conjointe, ce qui signifie que la multiferroïcité conventionnelle et non conventionnelle se développent l'une après l'autre dans le même matériau, " a déclaré Huibo Cao, chercheur de l'ORNL.

L'une des raisons pour lesquelles les multiferroïques sont si souhaitables est que leurs doubles caractéristiques peuvent être contrôlées en combinaison les unes avec les autres, fournir, par exemple, magnétisme contrôlé électriquement ou propriétés électriques contrôlées magnétiquement. Les chercheurs affirment qu'une meilleure compréhension du comportement de ces matériaux multifonctionnels pourrait conduire à des avancées significatives en matière de stockage d'informations et de performances énergétiques dans les nouveaux appareils.

Par exemple, des matériaux avec la combinaison optimisée des deux mécanismes multiferroïques pourraient être utilisés comme commutateurs efficaces, capteurs de champ magnétique, et dispositifs de mémoire.

"Avec ce matériel, nous voyons le potentiel d'aller au-delà de la portée typique des applications multiferroïques et d'avoir un impact significatif sur une variété de projets pratiques, " dit Cao.

Ces informations pourraient également servir de base pour aider les chercheurs à développer des matériaux similaires contenant ce mélange de propriétés.

"L'existence de ce matériau rare et la capacité d'en trouver d'autres comme celui-ci offrent une nouvelle gamme de possibilités passionnantes pour la recherche et le développement futurs, " a déclaré le chercheur de l'ORNL Stuart Calder.

Les neutrons sont la sonde la plus appropriée pour étudier le magnétisme de ces matériaux et permettent de distinguer les différents types de comportement multiferroïque. Parce que les neutrons n'ont pas de charge, ils peuvent facilement examiner le comportement de la structure cristalline dans des environnements d'échantillons complexes tels que les cellules de pression. À la fois, ils ont un spin et la capacité de se comporter comme des aimants, ce qui les rend idéales pour étudier le magnétisme.

En exposant un échantillon à des températures variables, champs magnétiques/électriques, et les pressions, les chercheurs peuvent observer comment la structure atomique et les propriétés magnétiques réagissent aux facteurs environnementaux et entre elles, qui pourraient orienter davantage la conception de nouveaux matériaux.

L'équipe a effectué des mesures de diffusion des neutrons au réacteur à isotope à haut flux (HFIR) de l'ORNL, une installation utilisateur du DOE Office of Science. À l'aide de l'instrument diffractomètre à poudre neutronique, ligne de lumière HFIR HB-2A, ils ont déterminé comment les structures magnétiques du matériau sont corrélées à sa polarisation ferroélectrique, qui est la légère séparation entre les centres de charge positive et négative dans les unités atomiques constituant la structure cristalline.

"Avec des neutrons, on peut voir comment ces structures magnétiques s'ordonnent pour mieux comprendre les différents types de multiferroïques, " Calder a déclaré. "Nous commençons à résoudre certains des mystères qui entourent ces matériaux."