En faisant ricocher des neutrons sur les atomes de manganite d'yttrium (YMnO 3 ) chauffé à 3, 000 degrés Fahrenheit, des chercheurs ont découvert les mécanismes atomiques qui confèrent à ce matériau inhabituel ses propriétés électromagnétiques rares. La découverte pourrait aider les scientifiques à développer de nouveaux matériaux dotés de propriétés similaires pour de nouveaux dispositifs informatiques et micro-actionneurs.

L'expérience a été menée en collaboration entre Duke University et Oak Ridge National Laboratory (ORNL) et est apparue en ligne dans Communication Nature le 2 janvier, 2018.

Le ferromagnétisme est le terme scientifique désignant le phénomène responsable des aimants permanents comme le fer. De tels matériaux existent parce que leur structure moléculaire se compose de minuscules plaques magnétiques qui pointent toutes dans la même direction. Chaque patch, ou domaine, est dit avoir un moment dipolaire magnétique, avec un pôle nord et un pôle sud, lequel, additionnés, produisent les champs magnétiques si souvent observés à l'œuvre sur les portes des réfrigérateurs.

La ferroélectricité est une propriété similaire, mais plus rare et difficile à conceptualiser. De la même manière qu'un aimant permanent, un matériau ferroélectrique est constitué de domaines avec des moments dipolaires électriques alignés les uns avec les autres. Cela produit un champ électrique permanent naturel, comme une collection de ballons microscopiques avec une charge d'électricité statique de longue durée.

Le manganite d'yttrium est l'un des rares matériaux à combiner à la fois la propriété ferroélectrique et l'ordre magnétique à des températures extrêmement froides. Cette combinaison rare présente la possibilité intéressante de contrôler les propriétés magnétiques du matériau avec l'électricité et vice versa. Exploiter cette capacité pourrait permettre aux scientifiques de créer des ordinateurs plus efficaces basés sur des états à quatre chiffres plutôt que sur les 1 et les 0 actuels en inversant à la fois les états électriques et magnétiques, ainsi que de nouveaux types de capteurs et de convertisseurs d'énergie.

« Ces matériaux dits multiferroïques sont très rares, " a déclaré Olivier Delaire, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux et de physique à Duke. "Mais si nous pouvons comprendre les mécanismes de ce qui se passe au niveau atomique, nous avons une meilleure chance de concevoir et de découvrir plus de matériaux permettant de nouvelles technologies."

Parce que le comportement ferroélectrique du manganite d'yttrium ne s'éteint qu'au-dessus de 3000 degrés Fahrenheit, les chercheurs n'ont jamais été en mesure de sonder les ondes de vibration atomiques qui produisent l'arrangement souhaité des dipôles électriques microscopiques. Alors que les fondements moléculaires des propriétés ferroélectriques du manganite d'yttrium ont été théorisés, il n'y a jamais eu de mesures directes pour les prouver.

Pour déterminer comment le bien naît, les chercheurs doivent sonder les vibrations ondulatoires de l'empilement des atomes dans le matériau, qui oscillent à des fréquences de plus de mille milliards de fois par seconde. Ils doivent également le faire au-dessus et au-dessous de la température de commutation ferroélectrique de 3000 degrés, ce qui est une tâche ardue, Pour dire le moins. Mais c'est précisément ce que les chercheurs ont fait.

"Il était difficile de mesurer les oscillations atomiques au-dessus de 3000 Fahrenheit, " dit Dipanshu Bansal, un chercheur postdoctoral dans le groupe de recherche Delaire à Duke et l'auteur principal de l'étude. "Cela nécessitait des faisceaux de neutrons à haute intensité, des matériaux spéciaux haute température et un four à atmosphère contrôlée chauffant l'échantillon dans l'air pour éviter de décomposer l'échantillon, ce qui se produirait autrement dans un four sous vide plus standard."

Les expériences consistaient à tirer sur l'échantillon extrêmement chaud de manganite d'yttrium avec des neutrons. En détectant où les neutrons se sont retrouvés après avoir heurté les atomes de l'échantillon, les chercheurs ont pu déterminer où se trouvaient les atomes et comment ils oscillaient collectivement. Il y a très peu d'endroits dans le monde qui ont de telles capacités, et le Laboratoire national d'Oak Ridge, à quelques heures de Duke, héberge à la fois le réacteur isotopique à haut flux et la source de neutrons de spallation, la plus puissante source de faisceaux de neutrons au monde.

Les chercheurs ont sondé le matériau à l'aide de neutrons à différentes énergies et longueurs d'onde, donnant une image globale de ses comportements atomiques. Ils ont constaté qu'au-dessus de la température de transition, un certain groupe d'atomes était libre de se déplacer et vibrait ensemble d'une manière particulière. Mais à mesure que le matériau se refroidissait et changeait de phase, ces atomes ont gelé dans l'arrangement cristallin permanent qui est responsable des propriétés ferroélectriques.

Et pour confirmer les résultats neutroniques, les chercheurs ont également utilisé les faisceaux de rayons X ultra-lumineux de la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne et ont effectué des simulations quantiques à grande échelle du comportement atomique avec les superordinateurs du National Energy Research Scientific Computing Center du Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Ce matériau n'a jamais été compris auparavant à un niveau atomistique aussi fin, " ont déclaré Bansal et Delaire. "Nous avons eu des théories sur l'importance des oscillations atomiques, mais c'est la première fois que nous les confirmons directement. Nos résultats expérimentaux permettront aux chercheurs d'affiner les théories et de créer de meilleurs modèles de ces matériaux afin que nous puissions en concevoir de meilleurs à l'avenir. »