Spin (ordre magnétique) dans le matériau multiferroïque bismuth-ferrite « cycles » à travers le cristal, offrant une application potentielle dans des domaines électroniques émergents tels que la magnétique. Crédit :FLOTTE
, Une nouvelle étude de l'UNSW examine de manière exhaustive la structure magnétique du matériau multiferroïque ferrite de bismuth (BiFeO3—BFO).
L'examen fait avancer la recherche de FLEET pour l'électronique à faible consommation d'énergie, rassembler les connaissances actuelles sur l'ordre magnétique dans les films BFO, et donner aux chercheurs une plate-forme solide pour développer davantage ce matériau dans les mémoires magnétoélectriques à basse énergie.
BFO est unique en ce qu'il affiche à la fois l'ordre magnétique et électronique (c'est-à-dire, est 'multiferroïque') à température ambiante, permettant une commutation à faible consommation d'énergie dans les périphériques de stockage de données.
Multiferroïques :ordre magnétique et électronique combiné pour le stockage de données à faible consommation d'énergie
Les multiferroïques sont des matériaux qui ont plus d'un « paramètre d'ordre ».
Par exemple, un matériau magnétique affiche un ordre magnétique :vous pouvez imaginer que le matériau est composé de lots de matériaux bien rangés (ordonnés), petits aimants.
Certains matériaux présentent un ordre électronique - une propriété appelée ferroélectricité - qui peut être considérée comme l'équivalent électrique du magnétisme.
Dans un matériau ferroélectrique, certains atomes sont chargés positivement, d'autres sont chargés négativement, et la façon dont ces atomes sont disposés dans le matériau donne un ordre spécifique à la charge dans le matériau.
Dans la nature, une petite fraction des matériaux connus possèdent à la fois un ordre magnétique et ferroélectrique (comme c'est le cas pour le BFO) et sont donc appelés matériaux multiferroïques.
Le couplage entre l'ordre magnétique et ferroélectrique dans un matériau multiferroïque ouvre la voie à une physique intéressante et ouvre la voie à des applications telles que l'électronique économe en énergie, par exemple dans les dispositifs de mémoire non volatile.
Les études menées à FLEET se concentrent sur l'utilisation potentielle de tels matériaux comme mécanisme de commutation.
Le stockage des données sur les disques durs traditionnels repose sur la commutation de l'état magnétique de chaque bit :de zéro, à une, à zéro. Mais il faut une quantité d'énergie relativement importante pour générer le champ magnétique requis pour accomplir cela.
Dans une "mémoire multiferroïque, ' le couplage entre l'ordre magnétique et ferroélectrique pourrait permettre de « basculer » l'état d'un bit par champ électrique, plutôt qu'un champ magnétique.
Les champs électriques sont beaucoup moins coûteux énergétiquement à générer que les champs magnétiques, donc la mémoire multiferroïque serait une victoire significative pour l'électronique ultra-basse énergie, un objectif clé dans FLEET.
Le co-auteur, le Dr Dan Sando, prépare du matériel pour l'étude à l'UNSW. Crédit :FLOTTE
BFO :Un matériau multiferroïque unique
La ferrite de bismuth (BFO) est unique parmi les multiferroïques :ses propriétés magnétiques et ferroélectriques persistent jusqu'à la température ambiante. La plupart des multiferroïques ne présentent les deux paramètres d'ordre qu'à une température bien inférieure à la température ambiante, ce qui les rend peu pratiques pour l'électronique à faible consommation d'énergie.
(Il ne sert à rien de concevoir des appareils électroniques à faible consommation d'énergie si cela vous coûte plus d'énergie pour refroidir le système que vous n'en économisez en fonctionnement.)
La nouvelle étude UNSW examine la structure magnétique de la ferrite de bismuth; en particulier, lorsqu'il est développé sous forme d'une mince couche monocristalline sur un substrat.
L'article examine l'ordre magnétique compliqué de BFO, et les nombreux outils expérimentaux différents utilisés pour sonder et aider à le comprendre.
Le multiferroïque est un sujet difficile. Par exemple, pour les chercheurs tentant d'entrer dans le domaine, il est très difficile d'obtenir une image complète du magnétisme du BFO à partir d'une seule référence.
"Donc, nous avons décidé de l'écrire, " dit le Dr Daniel Sando. " Nous étions parfaitement placés pour le faire, comme nous avions toutes les informations en tête, Stuart a écrit un chapitre de revue de littérature, et nous avions les connaissances physiques nécessaires pour expliquer les concepts importants de manière didactique. »
Le résultat est un ensemble complet, Achevée, et article de synthèse détaillé qui attirera l'attention des chercheurs et servira de référence utile pour beaucoup.
Le co-auteur principal, le Dr Stuart Burns, explique ce que les nouveaux chercheurs dans le domaine des multiferroïques tireront de l'article :
« Nous avons structuré l'examen comme un pack de démarrage d'expériences personnalisées :les lecteurs seront guidés dans la chronologie de BFO, une sélection de techniques à utiliser (en plus des avantages et des pièges de chacune) et diverses manières intéressantes de modifier la physique en jeu. Avec ces pièces en place, les expérimentateurs sauront à quoi s'attendre, et peut se concentrer sur l'ingénierie de nouveaux dispositifs à faible consommation d'énergie et d'architectures de mémoire."
L'autre auteur principal, Olivier Paull, dit "Nous espérons que d'autres chercheurs dans notre domaine utiliseront ce travail pour former leurs étudiants, apprendre les nuances de la matière, et avoir un article de référence unique qui contient toutes les références pertinentes - cette dernière en elle-même est une contribution extrêmement précieuse."
Le professeur Nagy Valanoor a ajouté :« L'aspect le plus gratifiant de cet article était son style en tant que chapitre de manuel. Nous n'avons rien négligé !
Le document de discussion comprend l'incorporation de BFO dans des dispositifs fonctionnels qui utilisent le couplage croisé entre la ferroélectricité et le magnétisme, et des domaines très nouveaux comme la spintronique antiferromagnétique, où la propriété mécanique quantique du spin de l'électron peut être utilisée pour traiter l'information.
"Le guide de l'expérimentateur sur le cycloïde, ou Antiferromagnétisme non colinéaire dans l'épitaxie BiFeO
L'équipe de Nagarajan ('Nagy') Valanoor à UNSW Sydney a étudié de manière approfondie le BFO et d'autres matériaux ferroïques, acquérir une large appréciation des études pertinentes, et faire eux-mêmes des progrès significatifs.
L'équipe synthétise des hétérostructures ferroélectriques et ferromagnétiques et de nouveaux oxydes topologiques utilisés par d'autres chercheurs de FLEET à la recherche de transistors à basse énergie, au sein du thème de recherche 1 du Centre et de la technologie habilitante A.
