Les scientifiques des matériaux de l'Université Duke ont montré le premier exemple clair que la transition d'un matériau en un aimant peut contrôler les instabilités de sa structure cristalline qui le font passer d'un conducteur à un isolant.

Si les chercheurs peuvent apprendre à contrôler cette connexion unique entre les propriétés physiques identifiées dans le sulfure de fer hexagonal, il pourrait permettre de nouvelles technologies telles que l'informatique spintronique. Les résultats paraissent le 13 avril dans le journal Physique de la nature .

Communément appelé troilite, le sulfure de fer hexagonal peut être trouvé nativement sur Terre mais est plus abondant dans les météorites, en particulier ceux provenant de la Lune et de Mars. Rarement rencontré dans la croûte terrestre, on pense que la plupart des troilites sur Terre sont originaires de l'espace.

Malgré sa rareté relative, la troilite est étudiée depuis 1862 sans grand bruit. Un article théorique récent, cependant, ont suggéré qu'il pourrait y avoir une nouvelle physique en jeu entre les températures de 289 et 602 degrés Fahrenheit, la plage de températures à laquelle la troilite devient à la fois magnétique et isolant.

"L'article a théorisé que la façon dont les atomes se déplacent dans leur structure cristalline a un impact sur les propriétés du minéral à travers un effet assez compliqué qui n'a jamais été vu auparavant, " a déclaré Olivier Delaire, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux, physique et chimie à Duke. "L'aspect le plus important est cette interaction entre les propriétés magnétiques et la dynamique atomique, qui est un sujet qui n'a pas été beaucoup investigué auparavant mais qui ouvre de nouvelles possibilités dans les technologies informatiques."

Pour aller au cœur du comportement étrange du matériau, Delaire et ses collègues se sont tournés vers Haidong Zhou, professeur adjoint de physique expérimentale de la matière condensée à l'Université du Tennessee, pour la tâche difficile de faire pousser des cristaux parfaits de troilite. Les chercheurs ont ensuite prélevé des échantillons au laboratoire national d'Oak Ridge et au laboratoire national d'Argonne pour les faire exploser avec des neutrons et des rayons X, respectivement.

Lorsque des particules telles que des neutrons ou des rayons X rebondissent sur les atomes à l'intérieur d'un matériau, les chercheurs peuvent utiliser ces informations de diffusion pour reconstruire sa structure atomique et sa dynamique. Parce que les neutrons ont leur propre moment magnétique interne, ils peuvent également révéler la direction du spin magnétique de chaque atome. Mais parce que les neutrons interagissent faiblement avec les atomes, les rayons X sont également très utiles pour résoudre la structure atomique d'un matériau et les vibrations atomiques dans de minuscules cristaux. Les chercheurs ont comparé les résultats des deux analyses différentes à l'aide de modèles de mécanique quantique créés sur un superordinateur du Lawrence Berkeley National Laboratory pour s'assurer qu'ils comprenaient ce qui se passait.

Après avoir observé les changements qui se produisent à travers les transformations de phase du troilite, les chercheurs ont découvert des mécanismes inédits à l'œuvre. A hautes températures, les spins magnétiques des atomes de troilite pointent dans des directions aléatoires, rendre le matériau non magnétique. Mais une fois que la température descend en dessous de 602 degrés Fahrenheit, les moments magnétiques s'alignent naturellement et un aimant est né.

L'alignement de ces spins magnétiques décale la dynamique vibratoire des atomes. Ce décalage provoque une légère déformation de toute la structure atomique cristalline, ce qui à son tour crée une bande interdite que les électrons ne peuvent pas traverser. Cela fait perdre au troilite sa capacité à conduire l'électricité.

"C'est le premier exemple clair que l'alignement des spins magnétiques peut contrôler les instabilités de la structure cristalline d'un matériau, " a déclaré Delaire. " Et parce que ces instabilités conduisent à une connexion entre les propriétés magnétiques et de conductivité du cristal, c'est le type de matériel qui est passionnant en termes d'activation de nouveaux types d'appareils."

La capacité d'ajuster l'état magnétique d'un matériau en appliquant des courants électriques, et vice versa, serait indispensable à la réalisation de technologies telles que l'électronique de spin, a dit Delaire. Connu sous le nom de spintronique pour faire court, ce domaine émergent cherche à utiliser le spin intrinsèque d'un électron et le moment magnétique associé pour stocker et manipuler des données. Combiné avec le rôle traditionnel d'un électron en informatique, cela permettrait aux processeurs informatiques de devenir plus denses et plus efficaces.

A travers ce papier, Delaire et ses collègues ont identifié les contrôles magnétiques des mécanismes de distorsion de la structure cristalline, donner aux chercheurs une poignée pour manipuler l'un avec l'autre. Bien que cette poignée soit actuellement basée sur les changements de température, la prochaine étape pour les chercheurs consiste à examiner l'application de champs magnétiques externes pour voir comment ils pourraient affecter la dynamique atomique du matériau.

Que la troilite devienne ou non le nouveau silicium pour la prochaine génération de technologie informatique, Delaire dit que trouver ce mécanisme unique dans un matériau aussi connu est une bonne leçon pour l'ensemble du domaine.

"C'est surprenant que, même si vous avez un composé relativement simple, vous pouvez avoir ce mécanisme sophistiqué qui pourrait finir par activer de nouvelles technologies, " dit Delaire. " En un sens, c'est un signal d'alarme que nous devons reconsidérer certains des matériaux les plus simples pour rechercher des effets similaires ailleurs."