Un nouveau matériau pourrait devenir la base des futurs dispositifs de stockage de données, car il peut permettre des réductions significatives des demandes d'énergie par rapport aux disques durs actuels. Il s'agit d'un matériau de la classe des multiferroïques dits magnétoélectriques, dont la caractéristique distinctive est que leurs propriétés magnétiques et électriques sont couplées les unes aux autres. Grâce à ce couplage, il devrait être possible d'écrire des bits magnétiques au moyen de champs électriques plus économes en énergie. On s'attendait depuis longtemps à ce que cette classe de matériaux puisse servir de base aux mémoires informatiques à l'avenir. L'avantage du matériau multiferroïque nouvellement développé :Il présente les propriétés magnétiques nécessaires même à température ambiante, et pas seulement, comme avec la plupart des multiferroïques magnétoélectriques à ce jour, lorsqu'ils sont refroidis à des températures très basses, généralement moins 200 degrés Celsius. Les chercheurs du PSI rapportent leurs nouveaux résultats dans la revue Communication Nature .

Les chercheurs du PSI ont créé un nouveau matériau qui recèle un énorme potentiel pour les futurs supports de stockage de données. Il s'agit d'un matériau multiferroïque dit magnétoélectrique avec une amélioration cruciale :il conserve les propriétés magnétiques nécessaires jusqu'à la température ambiante et convient donc à des usages quotidiens.

Les matériaux multiferroïques magnétoélectriques sont extrêmement rares. En eux, les propriétés magnétiques et électriques sont couplées l'une à l'autre. Par conséquent, les propriétés magnétiques peuvent être contrôlées par l'application d'un champ électrique. Les champs électriques peuvent être générés plus facilement et plus efficacement que les champs magnétiques. Lorsqu'un champ électrique est appliqué à des multiferroïques magnétoélectriques, il a un effet sur les propriétés électriques du matériau. Grâce au couplage magnétoélectrique, vous obtenez alors gratuitement une modification des propriétés magnétiques, dit Marisa Médarde, auteur principal de la nouvelle étude, décrivant cette classe spéciale de matériaux.

Stockage des données et économie d'énergie

Les disques durs informatiques actuels stockent des données sous forme de bits magnétiques qui sont écrits par l'application d'un champ magnétique. En revanche, Les supports de stockage basés sur les multiferroïques auraient plusieurs avantages :Le stockage magnétique pourrait être réalisé par l'application d'un champ électrique, ce qui nécessiterait beaucoup moins d'énergie; les appareils produiraient moins de chaleur perdue et auraient donc également des demandes de refroidissement plus faibles, permettant de réduire l'utilisation des ventilateurs et de la climatisation. Étant donné que le cloud computing consomme chaque année plusieurs milliers de milliards de kilowattheures, les économies dans ce domaine sont d'une grande importance.

Dans presque tous les matériaux, magnétisme, comme on le trouve par exemple dans le fer, et la ferroélectricité, une propriété électrique particulière des matériaux, s'excluent mutuellement. Ici, les matériaux multiferroïques représentent une exception :ils sont aussi bien magnétiques que ferroélectriques; en outre, ces deux propriétés sont couplées l'une à l'autre. Les matériaux que les scientifiques ont pu créer jusqu'à présent, cependant, montrent un comportement multiferroïque presque exclusivement à très basse température, comme moins 200 degrés Celsius. Le nouveau matériau des chercheurs du PSI est une innovation à cet égard.

Synthèse, optimisation immobilière, et analyses au PSI

Les chercheurs ont mis au point leur nouveau matériau en adaptant à la fois sa composition chimique et le processus de production exact. Ils ont finalement trouvé que le matériau de formule chimique YBaCuFeO5 convenait, et qu'il donne les meilleurs résultats lorsqu'il est d'abord chauffé à une température élevée, puis soumis à un refroidissement extrêmement rapide. A hautes températures, les atomes s'arrangent de manière à être utiles à nos fins, Médarde explique. Le refroidissement rapide gèle essentiellement cet arrangement en place. La méthode sous-jacente de refroidissement rapide - également connue sous le nom de trempe - est familière à la fabrication de métaux particulièrement durs et est utilisée depuis des siècles, par exemple, dans les épées en acier trempé. Les chercheurs du PSI, cependant, appliqué des températures beaucoup plus extrêmes :ils ont d'abord chauffé leur matériau à 1000 degrés Celsius, puis l'ont refroidi brusquement et rapidement à moins 200 degrés Celsius. Une fois le matériau sorti de ce bain de refroidissement, il conserve ses caractéristiques magnétiques particulières jusqu'à et un peu au-dessus de la température ambiante.

La procédure de synthèse et d'optimisation des propriétés a été développée au PSI, où les matériaux ont également été produits et ensuite analysés dans deux installations de recherche à grande échelle, la source suisse de neutrons de spallation SINQ et la source lumineuse suisse SLS. Notre nouveau matériau ne contient pas d'ingrédients coûteux, Médarde est heureuse de rapporter. Et la méthode de production, maintenant que nous avons réglé les détails, est facile à mettre en œuvre.

Le nouveau matériau doit ses propriétés à l'existence de spirales dites magnétiques au niveau atomique. Ces minuscules spirales sont responsables du couplage du magnétisme et de la ferroélectricité. Dans la plupart des matériaux, les spirales magnétiques disparaissent lorsque le matériau devient plus chaud qu'environ moins 200 degrés Celsius. Les chercheurs du PSI voient leur principal accomplissement en créant un matériau dans lequel les spirales magnétiques sont stables à température ambiante. Même à 30 degrés Celsius, nos spirales magnétiques étaient toujours présentes, dit Médarde.

Un parent des supraconducteurs à haute température

Le matériau YBaCuFeO5 n'est en effet pas totalement nouveau. Le composé a été synthétisé pour la première fois en 1988. Maintenant, cependant, le procédé de fabrication spécial des chercheurs du PSI organise avec précision les atomes de fer et de cuivre de manière à ce que le matériau acquière des propriétés totalement nouvelles. YBaCuFeO 5 est étroitement lié à l'oxyde d'yttrium baryum cuivre, notation chimique YBa 2 Cu 3 O 6+x , un groupe de supraconducteurs découverts en 1987 qui restent supraconducteurs jusqu'à des températures relativement élevées :certains d'entre eux perdent leur propriété supraconductrice à des températures d'environ moins 180 degrés Celsius, c'est-à-dire environ 200 degrés de moins que la température d'ordre en spirale du nouveau matériau développé au PSI.