Une nouvelle approche de la conception de matériaux artificiels pourrait permettre à des dispositifs magnétiques d'avoir une gamme de propriétés plus large que celles actuellement disponibles. Une équipe internationale de chercheurs a maintenant étendu les propriétés et les utilisations potentielles des métamatériaux en utilisant non pas une mais deux classes de nanostructures très différentes, ou métamolécules.

Les propriétés d'une substance dépendent en grande partie de ses atomes constitutifs et de la façon dont ces atomes interagissent les uns avec les autres. Le nombre fini de types d'atomes, cependant, impose une limite à la gamme de propriétés qu'un matériau conventionnel peut avoir. En revanche, une nouvelle classe de matériaux d'ingénierie appelés métamatériaux n'a pas une telle limitation. Les métamatériaux sont généralement composés d'un ensemble de nanostructures qui peuvent interagir avec les ondes électromagnétiques de la même manière que les atomes. En outre, les propriétés optiques de ces métamatériaux peuvent être ajustées en modifiant la taille et la forme des nanostructures.

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par Boris Luk'yanchuk à l'A*STAR Data Storage Institute a maintenant étendu les propriétés et les utilisations potentielles des métamatériaux en utilisant non pas une mais deux classes très différentes de nanostructures, ou métamolécules.

Luk'yanchuk et l'équipe ont modélisé mathématiquement un réseau bidimensionnel de métamolécules comprenant une sphère de silicium à côté d'un anneau de cuivre partiellement incomplet. Ils ont étudié l'influence de la sphère et de l'anneau fendu sur la composante magnétique d'une onde électromagnétique incidente — une propriété connue sous le nom de magnétisation.

"Quand les deux structures étaient distantes de plus d'un micromètre, ils ont tous deux agi pour augmenter le champ magnétique local, " dit Luk'yanchuk. Cependant, ils ont commencé à interagir lorsqu'ils se sont rapprochés, et les chercheurs ont observé que l'aimantation de l'anneau fendu diminue et devient même négative pour des séparations inférieures à 0,5 micromètre.

Cette situation est quelque peu analogue à l'ordre magnétique dans les matériaux « naturels ». Lorsque tous les atomes contribuent positivement aux propriétés magnétiques d'un matériau, le matériau devient un ferromagnétique. Cependant, lorsque des régions alternées du matériau ont une aimantation opposée, le matériau est dit antiferromagnétique.

"Nous démontrons que nos réseaux hybrides de métamolécules présentent une interaction magnétique dépendante de la distance, ouvrir de nouvelles voies pour manipuler l'antiferromagnétisme artificiel avec des matériaux à faibles pertes, " explique Luk'yanchuk.

Bien que l'analogie entre les métamatériaux et les matériaux magnétiques ne soit pas parfaite, on dit que la plupart des métamatériaux sont de type ferromagnétique. La conception proposée par Luk'yanchuk et l'équipe imite étroitement l'ordre antiferromagnétique, et cela ouvre une opportunité pour les chercheurs d'étudier les phénomènes antiferromagnétiques dans les métamatériaux. Un exemple notable est la magnétorésistance géante, un phénomène qui est au cœur des mémoires électroniques modernes.

Luk'yanchuk affirme qu'un analogue de métamatériau offrirait des perspectives de recherche passionnantes. « Nous pensons que notre travail a le potentiel d'avoir un fort impact sur le développement de solutions intégrées sur puce pour les métamatériaux reconfigurables et contrôlés optiquement. »