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L'électricité et le magnétisme sont étroitement liés :les lignes électriques génèrent un champ magnétique, des aimants rotatifs dans un générateur produisent de l'électricité. Cependant, le phénomène est beaucoup plus compliqué :les propriétés électriques et magnétiques de certains matériaux sont également couplées entre elles. Les propriétés électriques de certains cristaux peuvent être influencées par les champs magnétiques et vice versa. Dans ce cas, on parle d'« effet magnétoélectrique ». Il joue un rôle technologique important, par exemple dans certains types de capteurs ou dans la recherche de nouveaux concepts de stockage de données.
Un matériau spécial a été étudié pour lequel, à première vue, aucun effet magnétoélectrique ne serait attendu du tout. Mais des expériences minutieuses ont maintenant montré que l'effet peut être observé dans ce matériau, cela ne fonctionne que complètement différemment que d'habitude. Il peut être contrôlé de manière très sensible :même de petits changements dans la direction du champ magnétique peuvent faire basculer les propriétés électriques du matériau dans un état complètement différent.
La symétrie contrôle le couplage
"Que les propriétés électriques et magnétiques d'un cristal soient couplées ou non dépend de la symétrie interne du cristal, " explique le professeur Andrei Pimenov de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. " Si le cristal a un degré élevé de symétrie, par exemple, si un côté du cristal est exactement l'image miroir de l'autre côté, alors pour des raisons théoriques, il ne peut y avoir d'effet magnétoélectrique."
Lukas Weymann dans le laboratoire de la TU Wien. Crédit :TU Vienne
Ceci s'applique au cristal, qui a maintenant été examiné en détail - une soi-disant langasite faite de lanthane, gallium, silicium et oxygène, dopé avec des atomes d'holmium. "La structure cristalline est si symétrique qu'elle ne devrait en fait permettre aucun effet magnétoélectrique. Et dans le cas de champs magnétiques faibles, il n'y a en effet aucun couplage avec les propriétés électriques du cristal, " dit Andrei Pimenov. " Mais si nous augmentons la force du champ magnétique, quelque chose de remarquable se produit :les atomes d'holmium changent d'état quantique et gagnent un moment magnétique. Cela brise la symétrie interne du cristal."
D'un point de vue purement géométrique, le cristal est toujours symétrique, mais le magnétisme des atomes doit aussi être pris en compte, et c'est ce qui brise la symétrie. Par conséquent, la polarisation électrique du cristal peut être modifiée avec un champ magnétique. "La polarisation, c'est quand les charges positives et négatives dans le cristal se déplacent un peu, l'un par rapport à l'autre, " explique Pimenov. " Ce serait facile à réaliser avec un champ électrique, mais en raison de l'effet magnétoélectrique, c'est également possible en utilisant un champ magnétique."
Ce n'est pas la force, c'est la direction
Plus le champ magnétique est fort, plus son effet sur la polarisation électrique est fort. "La relation entre la polarisation et l'intensité du champ magnétique est approximativement linéaire, ce qui n'a rien d'inhabituel, " dit Andrei Pimenov. " Ce qui est remarquable, cependant, est que la relation entre la polarisation et la direction du champ magnétique est fortement non linéaire. Si vous changez un peu la direction du champ magnétique, la polarisation peut basculer complètement. Il s'agit d'une nouvelle forme de l'effet magnétoélectrique, ce qui n'était pas connu auparavant. » Ainsi, une petite rotation peut décider si le champ magnétique peut changer la polarisation électrique du cristal ou non.
Possibilité de nouvelles technologies de stockage
"L'effet magnétoélectrique jouera un rôle de plus en plus important pour diverses applications technologiques, " dit Andrei Pimenov. " Dans une prochaine étape, nous allons essayer de changer les propriétés magnétiques avec un champ électrique au lieu de changer les propriétés électriques avec un champ magnétique. En principe, cela devrait être possible exactement de la même manière."
Si cela réussit, ce serait une nouvelle façon prometteuse de stocker des données dans des solides. "Dans les mémoires magnétiques telles que les disques durs d'ordinateurs, les champs magnétiques sont nécessaires aujourd'hui, " explique Pimenov. " Ils sont générés avec des bobines magnétiques, ce qui nécessite une quantité relativement importante d'énergie et de temps. S'il y avait un moyen direct de changer les propriétés magnétiques d'une mémoire à semi-conducteurs avec un champ électrique, ce serait une percée."
