Physiciens de l'Université de Groningue et de la Fondation FOM, dirigé par le professeur Beatriz Noheda, ont découvert un nouveau composé de manganèse qui est produit par tension dans la structure cristalline de l'oxyde de terbium manganèse. La technique qu'ils ont utilisée pour créer ce nouveau matériau pourrait ouvrir la voie à de nouveaux circuits nanométriques. Leurs résultats ont été publiés le 20 novembre 2014 dans la revue La nature .

Les chercheurs ont fait pousser une très fine couche (pas plus de quelques dizaines d'atomes d'épaisseur) du cristal d'oxyde de terbium manganèse sur une couche de base plus épaisse d'oxyde de strontium et de titane. Cette couche de base affecte la croissance de la couche mince. Quand des morceaux de cristal en croissance se rencontrent, une interface ou 'domain wall' se développe, et la structure cristalline subit une contrainte de traction dans cette paroi.

Nanoréacteur

Jusqu'à il y a quelques années, les scientifiques des matériaux, lors de la création de couches très minces, ont essayé d'empêcher l'apparition de parois de domaine à cause de cette contrainte de traction. "Les murs du domaine étaient perçus comme une contamination", dit Nohéda. Puis il est devenu clair que la tension dans la structure cristalline a en fait investi le matériau de nouvelles propriétés, et, comme cela est maintenant devenu évident, la paroi du domaine peut devenir un réacteur chimique à l'échelle nanométrique.

Des murs

Les chercheurs de Groningue ont acquis une grande expertise dans le contrôle du nombre de murs de domaine développés. La composition de la couche de base affecte cela, par exemple, et plus la couche de cristal est fine, plus le nombre de murs qui se produisent est grand.

"En plus de contrôler le nombre de murs qui se développent, un autre défi considérable était d'analyser exactement ce qui se passe dans un mur, car il n'a généralement qu'un atome d'épaisseur", dit Nohéda. Une façon d'analyser le matériau du mur consiste à comparer des échantillons comprenant différents nombres de murs. Les chercheurs ont vu que plus il y avait de murs, plus le matériau était magnétique. "L'observation directe d'un champ magnétique n'est pas encore possible à l'échelle atomique, surtout pas dans un isolateur", dit Nohéda.

Ligne en zigzag

Une analyse chimique avancée à résolution atomique a été utilisée pour montrer que la composition du cristal dans les parois avait changé :à des endroits spécifiques, un atome de manganèse avait pris la place d'un atome de terbium plus gros. L'atome de terbium forme une sorte de ligne en zigzag dans la structure cristalline. Deux zigzags opposés se rejoignent dans le mur du domaine, provoquant ainsi la proximité de certains des atomes de terbium. "Cela crée une tension importante, l'atome de terbium disparaît du cristal, et un atome de manganèse plus petit prend sa place", explique Nohéda. Contrairement au cristal normal, ce manganèse supplémentaire rend le mur magnétique.

Nouvelle chimie

Le professeur Maxim Mostovoy a modélisé le magnétisme, et ses résultats correspondent aux résultats de l'expérience :« Une liaison qui n'a pas encore été décrite se produit entre cinq atomes de manganèse. Nous voyons donc une nouvelle chimie dans la paroi du domaine. Cela fait de la paroi du domaine une sorte de réacteur chimique à l'échelle nanométrique. "Et nous soupçonnons que ce type de nouvelle liaison se produira dans tous les cristaux avec cette structure en zigzag."

Circuits

Noheda espère dans d'autres recherches générer des murs ayant le potentiel de former des circuits. Des circuits minuscules de quelques atomes seulement pourraient alors se développer. "Mais j'espère aussi que les chimistes se mettront au travail sur ces nanoréacteurs."

Beatriz Noheda et Maxim Mostovoy travaillent tous deux au Zernike Institute for Advanced Materials, partie de la faculté de mathématiques et de sciences naturelles de l'université de Groningue. La recherche a été financée par NanoNextNL et par la Fondation FOM.