Inverser parfaitement des structures complexes est d'une grande importance technique. Les chercheurs de l'ETH ont maintenant réussi à transformer la structure magnétique et électrique des matériaux en leurs contraires à l'aide d'une seule impulsion de champ magnétique.

Dans des environnements désagréablement bruyants, la réduction active du bruit a été utilisée dans les écouteurs et les voitures de luxe ces dernières années. Un microphone capte le bruit dérangeant, à partir desquelles une puce informatique calcule les contre-mesures appropriées :des ondes sonores dont les phases sont exactement opposées à celles du son ambiant. L'interférence entre ces ondes efface efficacement le bruit. Les physiciens et les ingénieurs cherchent à appliquer ce principe d'inversion parfaite à d'autres technologies, par exemple, à la structure magnétique des matériaux. Le professeur de l'ETH Manfred Fiebig et ses collaborateurs du Département des matériaux de Zurich y sont parvenus. avec le soutien de scientifiques européens, Japon et Russie. Leurs résultats sont publiés cette semaine dans la revue scientifique La nature .

L'équipe de Fiebig a utilisé ce qu'on appelle des multiferroïques pour leurs expériences. Contrairement à de nombreux autres matériaux qui ont un ordre magnétique ou électrique, les multiferroïques possèdent à la fois :Ils sont magnétiquement et, à la fois, polarisé électriquement et, en conséquence, s'alignent à la fois le long des champs magnétiques et le long des champs électriques. Les mécanismes physiques qui provoquent l'ordre magnétique et électrique à l'intérieur du matériau sont subtilement couplés les uns aux autres. Cela permet d'influencer l'aimantation en utilisant des champs électriques plutôt que des champs magnétiques. "C'est beaucoup plus efficace, comme il faut du courant électrique pour créer des champs magnétiques, et cela coûte beaucoup d'énergie et crée une chaleur perdue gênante, " explique Naëli Léo, un ancien Ph.D. étudiant au laboratoire de Fiebig. En informatique, par exemple, où les données sont écrites en permanence sur des disques durs magnétiques, les multiferroïques pourraient être des matériaux clés pour d'importantes économies d'énergie.

Inspiration des formes Tangram

A l'ETH, qui est depuis longtemps un leader international de la recherche multiferroïque, les scientifiques ont poussé cette idée un peu plus loin. "Un matériau qui permet de contrôler son aimantation à l'aide de champs électriques doit nécessairement avoir une structure assez complexe, " dit Fiebig.

Il utilise le casse-tête chinois Tangram pour illustrer ce principe :plus il y a de pièces disponibles—triangles, carrés et parallélogrammes, les formes les plus élaborées sont possibles. Dans le cas des multiferroïques, les formes correspondent aux symétries du matériau, qui déterminent ses propriétés physiques. Plus ces symétries sont complexes, les plus variés sont les paramètres dits d'ordre. Ils décrivent la direction dans laquelle pointe l'aimantation à l'intérieur d'un multiferroïque, et comment l'aimantation est couplée à l'ordre électrique.

Propriétés inattendues

Si les atomes à l'intérieur d'un matériau sont disposés d'une manière si compliquée, il est également très probable qu'il possède d'autres propriétés qui ne sont pas évidentes à première vue. "C'est pourquoi nous n'avons pas voulu nous limiter aux phénomènes connus et étudiés depuis longtemps, mais essayez plutôt de voir ce que les autres multiferroïques peuvent faire, " Fiebig dit, et illustre sa démarche de recherche :« Comment recombiner les pièces du puzzle, c'est-à-dire les paramètres de la commande - de manière différente de celles déjà connues, et obtenir ainsi des propriétés nouvelles et utiles ?"

Cette ouverture à l'inattendu a payé. Fiebig et ses collaborateurs ont finalement trouvé un multiferroïque dans lequel l'aimantation globale n'est pas seulement orientée uniformément par un champ appliqué, comme d'habitude. Clairement, cela effacerait toute information stockée magnétiquement - la distribution des régions magnétisées positivement et négativement à l'intérieur du matériau. Plutôt, ils ont utilisé le champ pour inverser l'aimantation dans chaque région individuelle du matériau. Les régions magnétisées positivement étaient, donc, transformés en magnétisés négativement, et vice versa. L'information magnétique contenue dans l'arrangement des régions, cependant, resté intact dans le processus. "C'est comme si nous inversions chaque bit d'un disque dur en une seule fois, " Fiebig explique. " Normalement, il faudrait réécrire chaque bit individuellement, mais nous pouvons le faire avec une seule impulsion de champ magnétique."

Inversion en une seule fois

Les chercheurs de l'ETH ont trouvé cet équivalent magnétique de la réduction active du bruit dans un multiferroïque composé de cobalt, tellure et oxygène. En raison de sa structure cristalline complexe, non seulement ce matériau peut être polarisé magnétiquement et électriquement à la fois, mais il peut aussi avoir plusieurs paramètres d'ordre décrivant son aimantation :celui qui détermine l'orientation magnétique d'une même région, et un autre qui "se souvient" de la forme et de la disposition de ces régions à l'intérieur de l'ensemble du matériau.

En utilisant une technique d'imagerie spécialisée, grâce à quoi une lumière laser polarisée est envoyée à travers le cristal et change de couleur au cours du processus, les chercheurs pourraient directement rendre le processus d'inversion visible dans l'espace.

Comme si cela ne suffisait pas, les physiciens ont également pu accomplir un exploit similaire avec des rôles inversés. Dans un multiferroïque contenant des atomes de manganèse, germanium et oxygène, le champ magnétique maintenant inversé pas l'aimantation, mais la polarisation électrique du matériau. Pour les chercheurs, c'est une preuve supplémentaire que les multiferroïques réservent encore bien des surprises. "Il y a probablement beaucoup plus à découvrir que nous ne pouvons même pas imaginer aujourd'hui, " dit Fiebig.