Pour la première fois, les physiciens ont réussi à imager l'ordre magnétique en spirale dans un matériau multiferroïque. Ces matériaux sont considérés comme des candidats très prometteurs pour les futurs supports de stockage de données. Les chercheurs ont pu prouver leurs découvertes à l'aide de capteurs quantiques uniques développés à l'Université de Bâle et capables d'analyser les champs électromagnétiques à l'échelle nanométrique. Les résultats, obtenus par des scientifiques du Département de physique de l'Université de Bâle, l'Institut suisse des nanosciences, l'Université de Montpellier et plusieurs laboratoires de l'Université Paris-Saclay - ont récemment été publiés dans la revue La nature .

Les multiferroïques sont des matériaux qui réagissent simultanément aux champs électriques et magnétiques. Ces deux propriétés se retrouvent rarement ensemble, et leur effet combiné permet de modifier l'ordre magnétique des matériaux à l'aide de champs électriques.

Cela offre un potentiel particulier pour de nouveaux dispositifs de stockage de données :des matériaux multiferroïques peuvent être utilisés pour créer des supports de stockage magnétiques à l'échelle nanométrique qui peuvent être déchiffrés et modifiés à l'aide de champs électriques.

Les supports magnétiques de ce type consommeraient très peu d'énergie et fonctionneraient à des vitesses très élevées. Ils pourraient également être utilisés en spintronique, une nouvelle forme d'électronique qui utilise le spin des électrons ainsi que la charge électrique.

Commande magnétique en spirale

La ferrite de bismuth est un matériau multiferroïque qui présente des propriétés électriques et magnétiques même à température ambiante. Alors que ses propriétés électriques ont été étudiées en profondeur, il n'y avait pas de méthode appropriée pour représenter l'ordre magnétique à l'échelle nanométrique jusqu'à présent.

Le groupe dirigé par Georg-H.-Endress Professeur Patrick Maletinsky de l'Institut suisse des nanosciences et du Département de physique de l'Université de Bâle, a développé des capteurs quantiques à base de diamants avec des centres de vacance d'azote. Cela leur a permis, en collaboration avec des collègues de l'Université de Montpellier et de l'Université Paris-Saclay en France, représenter et étudier pour la première fois l'ordre magnétique d'un film mince de ferrite de bismuth, comme ils rapportent dans La nature .

Connaître le comportement des spins des électrons et l'ordre du champ magnétique est d'une importance cruciale pour l'application future des matériaux multiferroïques comme stockage de données.

Les scientifiques ont pu montrer que la ferrite de bismuth présente un ordre magnétique en spirale, avec deux spins électroniques superposés (représentés en rouge et bleu sur l'image) adoptant des orientations opposées et tournant dans l'espace, alors qu'on supposait auparavant que cette rotation avait lieu dans un plan. Selon les chercheurs, les capteurs quantiques montrent maintenant qu'une légère inclinaison de ces spins opposés conduit à une rotation spatiale avec une légère torsion.

"Nos capteurs quantiques en diamant permettent une analyse non seulement qualitative mais aussi quantitative. Cela signifie que nous avons pu obtenir pour la première fois une image détaillée de la configuration de spin dans les multiferroïques, " explique Patrick Maletinsky. " Nous sommes convaincus que cela ouvrira la voie à des avancées dans la recherche sur ces matériaux prometteurs. "

Des postes vacants avec des propriétés spéciales

Les capteurs quantiques qu'ils ont utilisés sont constitués de deux minuscules diamants monocristallins, dont les réseaux cristallins ont une lacune et un atome d'azote dans deux positions voisines. Ces centres de lacunes d'azote contiennent des électrons en orbite dont les spins réagissent de manière très sensible aux champs électriques et magnétiques externes, permettant d'imager les champs à une résolution de quelques nanomètres seulement.

Des scientifiques de l'Université de Montpellier ont effectué les mesures magnétiques à l'aide des capteurs quantiques fabriqués à Bâle. Les prélèvements ont été fournis par des experts du laboratoire CNRS/Thales de l'Université Paris-Saclay, qui sont des chefs de file dans le domaine de la recherche sur la ferrite de bismuth.

Capteurs quantiques pour le marché

Les capteurs quantiques utilisés dans la recherche sont adaptés à l'étude d'une large gamme de matériaux, car ils fournissent des données qualitatives et quantitatives précisément détaillées à la fois à température ambiante et à des températures proches du zéro absolu.

Afin de les mettre à disposition d'autres groupes de recherche, Patrick Maletinsky a fondé la start-up Qnami en 2016 en collaboration avec le Dr Mathieu Munsch. Qnami produit les capteurs diamant et fournit des conseils d'application à ses clients issus de la recherche et de l'industrie.