Les matériaux ferromagnétiques ont un champ magnétique auto-générateur, les matériaux ferroélectriques génèrent leur propre champ électrique. Bien que les champs électriques et magnétiques soient liés, la physique nous dit qu'il s'agit de classes de matériaux très différentes. Maintenant, la découverte par des scientifiques dirigés par l'Université de Warwick d'un motif électrique complexe semblable à un «vortex» qui reflète son homologue magnétique suggère qu'ils pourraient en fait être les deux faces d'une même pièce.

Détaillé dans une nouvelle étude pour la revue Nature, financés par le Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), qui fait partie de UK Research and Innovation, et la Royal Society, les résultats donnent la première preuve d'un processus dans les matériaux ferroélectriques comparable à l'interaction Dzyaloshinskii – Moriya dans les ferromagnétiques. Cette interaction particulière joue un rôle central dans la stabilisation des structures magnétiques topologiques, telles que les skyrmions, et elle pourrait être cruciale pour les nouvelles technologies électroniques potentielles exploitant leurs analogues électriques.

Les cristaux ferroélectriques en vrac sont utilisés depuis de nombreuses années dans une gamme de technologies, notamment les sonars, les transducteurs audio et les actionneurs. Toutes ces technologies exploitent les dipôles électriques intrinsèques et leur inter-relation entre la structure cristalline du matériau et les champs appliqués.

Pour cette étude, les scientifiques ont créé un film mince de titanate de plomb ferroélectrique pris en sandwich entre des couches de ruthénate de strontium ferromagnétique, chacune d'environ 4 nanomètres d'épaisseur, soit seulement deux fois l'épaisseur d'un seul brin d'ADN.

Alors que les atomes des deux matériaux forment une seule structure cristalline continue, dans la couche de titanate de plomb ferroélectrique, la polarisation électrique formerait normalement plusieurs «domaines», comme un nid d'abeilles. Ces domaines ne peuvent être observés qu'en utilisant la microscopie électronique à transmission et la diffusion des rayons X de pointe.

Mais lorsque l'équipe de l'Université de Warwick a examiné la structure des couches combinées, elle a constaté que les domaines du titanate de plomb étaient une structure topologique complexe de lignes de vortex, tournant alternativement dans différentes directions.

Un comportement presque identique a également été observé dans les ferromagnétiques où il est connu pour être généré par l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMi).

L'auteur principal, le professeur Marin Alexe du département de physique de l'Université de Warwick, a déclaré:"Si vous regardez comment ces caractéristiques diminuent, la différence entre le ferromagnétisme et la ferroélectricité devient de moins en moins importante. Il se peut qu'elles fusionnent à un moment donné dans un matériau unique. Cela pourrait être artificiel et combiner de très petits ferromagnétiques et ferroélectriques pour tirer parti de ces caractéristiques topologiques. Il est très clair pour moi que nous sommes à la pointe de l'iceberg en ce qui concerne l'orientation de cette recherche."

Le co-auteur Dorin Rusu, étudiant de troisième cycle à l'Université de Warwick, a déclaré:"Réaliser que dans les ferroélectriques, les textures dipolaires qui imitent leur homologue magnétique à un tel degré garantit des recherches supplémentaires sur la physique fondamentale qui entraîne de telles similitudes. Ce résultat n'est pas un question triviale si l'on considère la différence d'origine et d'intensité des champs électriques et magnétiques."

L'existence de ces vortex avait déjà été théorisée, mais il a fallu l'utilisation de microscopes électroniques à transmission de pointe à l'Université de Warwick, ainsi que l'utilisation de synchrotrons dans quatre autres installations, pour les observer avec précision. Ces techniques ont permis aux scientifiques de mesurer la position de chaque atome avec un haut degré de certitude.

La co-auteure, la professeure Ana Sanchez, a déclaré :« La microscopie électronique est une technique révolutionnaire pour comprendre ces structures topologiques. C'est l'outil clé pour révéler les tenants et les aboutissants de ces nouveaux matériaux, en utilisant un faisceau subatomique d'électrons pour générer des images de structure."

Le co-auteur, le professeur Thomas Hase, a ajouté :"L'accès à des installations haut de gamme au Royaume-Uni, en Europe et aux États-Unis a été essentiel pour cette recherche particulière." + Explorer plus loin

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