Les multiferroïques sont considérés comme des matériaux miraculeux pour le stockage futur des données – tant que leurs propriétés spéciales peuvent être préservées aux températures de fonctionnement de l'ordinateur. Cette tâche est désormais accomplie par des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI, avec des collègues de l'ILL de l'Institut Laue-Langevin à Grenoble. Avec ça, ils ont rapproché ces matériaux des applications pratiques. L'utilisation de multiferroïques est prometteuse pour des ordinateurs plus économes en énergie, car un champ électrique suffirait pour le stockage magnétique des données. Pour produire cela, beaucoup moins d'énergie et de refroidissement sont nécessaires qu'avec le stockage magnétique conventionnel. Les multiferroïques combinent des propriétés magnétiques et électriques pour former un matériau extrêmement rare. La plupart de ces matériaux ne présentent ces deux propriétés qu'à des températures bien inférieures au point de congélation. Afin de maintenir les propriétés magnétiques stables même à cent degrés, les chercheurs ont employé une astuce. Ils ont utilisé des atomes plus petits que ceux employés dans les enquêtes précédentes, rendre le matériau plus compact. Cela suffisait à rendre sa structure résistante à la chaleur et à préserver ses propriétés magnétiques cruciales. Les chercheurs ont publié leurs résultats aujourd'hui dans la revue Avancées scientifiques .

Les ordinateurs fonctionnent souvent en continu, consommant plusieurs kilowattheures d'électricité par an. La plupart d'entre eux sont utilisés pour le stockage de données. Les données sont écrites sur les disques durs sous forme de bits magnétiques à l'état 0 ou 1, un processus qui nécessite une inversion continue de la polarité du plus au moins et vice versa. Cette inversion des pôles magnétiques consomme beaucoup d'énergie, et conduit à un important dégagement de chaleur. C'est pourquoi les ordinateurs doivent être refroidis intensivement pendant leur fonctionnement. Cela nécessite beaucoup d'électricité, des coûts élevés et n'est pas respectueux de l'environnement. Les scientifiques recherchent depuis longtemps un matériau qui élimine cet inconvénient du stockage de données magnétique conventionnel.

Depuis quelques années, les multiferroïques dits magnéto-électriques ont suscité l'intérêt des chercheurs comme alternative possible. Avec ces matériaux, la fonctionnalité magnétique nécessaire est réalisable en appliquant un champ électrique au lieu d'un champ magnétique, car ces deux propriétés physiques sont couplées dans le matériau. Cet état se produit généralement à des températures très basses, généralement en dessous de moins 173 degrés Celsius, et se perd à nouveau aux températures quotidiennes.

Il y a deux ans, un groupe de travail du PSI a réussi à déplacer la limite de température jusqu'à 37 degrés Celsius. C'était un grand pas en avant, mais il ne suffisait toujours pas de penser à l'utiliser dans les ordinateurs portables et autres systèmes de stockage de données fortement chauffés. Maintenant, Les chercheurs du PSI Marisa Medarde et Tian Shang ont réussi à stabiliser un magnéto-électrique, matériau multiferroïque qui conserve les propriétés magnétiques requises même à 100 degrés Celsius. "Cette température est de plus de 60 degrés Celsius plus élevée que par le passé, « Médarde se réjouit. « Bien que de nombreuses recherches supplémentaires soient encore nécessaires, nous sommes maintenant un peu plus proches d'une éventuelle utilisation de ces matériaux dans les ordinateurs."

Deux en un

La classe relativement nouvelle des multiferroïques magnéto-électriques comprend divers mélanges d'éléments chimiques. Ceux-ci ont une chose en commun :ils contiennent simultanément de petits aimants et une combinaison de charges électriques positives et négatives, les dipôles dits électriques. Les dipôles électriques peuvent généralement être influencés par l'application d'un champ électrique et de petits aimants par l'application d'un champ magnétique. Pour un matériau multiferroïque, un champ électrique est suffisant pour les deux. En pratique, les champs électriques sont beaucoup plus faciles et moins chers à produire. Ils consomment beaucoup moins d'électricité. C'est ce qui rend les multiferroïques magnéto-électriques si intéressants d'un point de vue économique. Mais comment réaliser l'impossible ?

Dans son laboratoire du PSI, le physicien Shang montre différents gris, poudres de cristal blanc et jaune, qu'il chauffe dans un four de laboratoire pour préparer les matériaux multiferroïques de ses expériences :« Ici, nous utilisons du baryum, le cuivre, fer et terres rares, et nous les chauffons jusqu'à plus de 1, 100 degrés Celsius pendant deux jours. Ensuite, nous refroidissons lentement les poudres à température ambiante, les presser en boulettes, puis les réchauffer à nouveau pendant 50 heures. Ils sont ensuite brusquement trempés dans de l'azote liquide. » Le matériau gris terne dans la pastille qui résulte de cette procédure est ce qu'on appelle une pérovskite cuivre-fer en couches, un cristal. Il est assez petit pour tenir sur le bout d'un doigt et à première vue ne semble pas très spectaculaire.

Aimants frustrés

Les particularités du matériau se retrouvent au niveau non visible des atomes, plus précisément :dans sa structure en réseau cristallin. Cela peut être représenté comme composé de plusieurs cages en treillis empilées avec des atomes de baryum et d'yttrium à leurs coins. A l'intérieur des cages, de petits aimants en cuivre et en fer sont situés. Les forces électromagnétiques agissent entre les aimants individuels, déterminer leur orientation relative. Normalement, deux aimants sont alignés parallèlement ou opposés l'un à l'autre. Mais il peut aussi arriver que les forces magnétiques agissent dans des directions très différentes. Ensuite, les aimants oscillent comme de petites aiguilles de boussole. Le terme technique pour un tel matériau est un aimant frustré. Afin d'éviter cet état instable tout en préservant le magnétisme, les aimants cuivre-fer s'arrangent en spirale. Agrandi, cela ressemble à de nombreuses aiguilles de boussole superposées, chacun suivant tordu d'un petit angle. "Cet arrangement en spirale peut provoquer une polarisation électrique et donc être responsable des propriétés ferroélectriques du matériau, " explique Médarde.

Ainsi, lorsque les aimants sont disposés en spirale, ils induisent des dipôles électriques dans le réseau et le matériau obtient à la fois des propriétés couplées - électriques et magnétiques. A des températures normales, les aiguilles de la boussole perdent leur disposition hélicoïdale, ce qui fait aussi disparaître les propriétés multiferroïques couplées. Le fait que les spirales magnétiques du matériau puissent être "gelées" par un refroidissement très rapide avait déjà été montré à Medarde et à son groupe dans un travail antérieur. Dans leur dernière enquête, Medarde et Shang ont maintenant affiné le réseau cristallin multiferroïque. Avec des ajustements microscopiques, ils ont réussi à élever sa stabilité de température jusqu'à 100 degrés Celsius.

La proximité crée la force

En plus du refroidissement extrêmement rapide du matériau, Shang a utilisé une astuce que les chimistes connaissent depuis longtemps :il a simplement réduit les distances entre certains atomes dans le réseau cristallin, les rapprocher les uns des autres. À la suite de la nouvelle, conception plus compacte, les forces électromagnétiques dans le cristal ont changé de telle manière que la structure en spirale des aimants en cuivre-fer est restée stable même à des températures plus élevées.

Shang y est parvenu en remplaçant certains atomes de baryum dans le réseau cristallin par les atomes plus petits de l'élément strontium. Il a ajouté du strontium lors de la production du matériau dans le four de réaction avant de finalement refroidir à nouveau le matériau de la manière établie.

Prochain, le physicien voulait savoir si la combinaison des deux méthodes avait vraiment eu l'effet escompté. Shang a étudié le matériau gris-noir en utilisant diverses méthodes de mesure, y compris des investigations à la source suisse de neutrons de spallation SINQ, une installation de recherche à grande échelle au PSI. A l'aide d'instruments spéciaux, il a réussi à identifier l'empreinte des spirales magnétiques. Un instrument au nom compliqué de diffractomètre à neutrons était particulièrement important pour le chercheur. Avec cet appareil, que Shang utilisait à la fois au SINQ et à l'ILL de l'Institut Laue-Langevin à Grenoble, il a découvert où se trouvent les atomes dans le réseau cristallin et à quelle distance ils sont les uns des autres.

"L'effet du refroidissement rapide du matériau et celui de la diminution de la distance entre les atomes se résument. La plage de stabilité de la spirale magnétique est maintenant beaucoup plus élevée qu'auparavant, " a déclaré Shang. Il a ainsi atteint la plage de température nécessaire pour une utilisation dans les ordinateurs. Cependant, selon les physiciens, il faudra un certain temps pour que le matériel soit réellement utilisé pour stocker des données à l'avenir. Pour ça, il devra également fonctionner en couches minces, où beaucoup moins de matière est utilisée. Medarde et Shang y travaillent déjà. Et ils tentent de comprimer encore plus le cristal de pérovskite en incorporant des atomes encore plus petits que le strontium. Si les deux stratégies réussissent, il y a de fortes chances que le matériau multiferroïque soit un jour la base pour révolutionner la technologie de stockage de données.