Groupe de cristaux de magnétite en rhombododécaèdre avec cristaux de pyrite octaédriques (jaunes). La magnétite est un exemple de matériau ferromagnétique. © Archaeodontosaurus, Wikipédia, cc by sa 3.0

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Contrôler l'aimantation grâce à un champ électrique : les matériaux multiferroïques l'ont fait

ActualitéClassé sous :physique , Nature , ferromagnétique

Pour les physiciens rêvant d'une nouvelle révolution technologique, parvenir à contrôler l'aimantation d'un matériau à l'aide d'un simple champ électrique, et ce à température ambiante, est comme la quête d'un Graal. L'exploit vient d'être réalisé avec un multiferroïque.

Avec le graphène ou la spintronique, de nombreux laboratoires sont engagés dans la recherche fiévreuse d'un nouveau bond technologique. On aimerait pouvoir, par, exemple, miniaturiser encore les mémoires magnétiques des ordinateurs et les manipuler avec des quantités d'énergies de plus en plus faibles. Dans cette quête, certains physiciens du solide explorent la piste de matériaux dits multiferroïques où peuvent apparaître des couplages entre des effets ferromagnétiques, responsables de l'aimantation spontanée, et des effets ferroélectriques, qui sont analogues mais qui relèvent de la polarisation électrique.

Une équipe internationale de chercheurs vient de publier dans Nature Physics les résultats de travaux dans ce domaine. Ils auraient sans aucun doute retenu l'attention du grand physicien russe Lev Landau qui a contribué à poser les bases actuelles de nos connaissances des effets magnéto-électriques dans les solides cristallins.

Des images très rares montrant le légendaire Lev Landau, dont on dit parfois qu'il aurait pu décrocher plusieurs prix Nobel. © alexander bogdanov, YouTube

Les physiciens ont en effet réussi à aimanter à température ambiante un multiferroïque à l'aide d'un champ électrique alors que, jusque-là, ce phénomène n'avait été obtenu qu'à basse température. Le matériau utilisé est une variante de la ferrite de bismuth, un oxyde de fer et de bismuth de formule BiFeO3, un classique des recherches sur les multiferroïques. Mais dans le cas présent, certains atomes de bismuth ont été remplacés par des atomes de lanthane.

Une aimantation stable et réversible à température ambiante

Normalement, la ferrite de bismuth ne peut pas s'aimanter à température ambiante bien qu'elle puisse se comporter comme un matériau paramagnétique au-dessus d'une certaine température, à l'instar des aimants qui sont ferromagnétiques en dessous de cette température critique de changement de phase. En fait, la ferrite de bismuth est un matériau antiferromagnétique. Dans cette famille, certains atomes se comportent comme des barreaux aimantés verticaux rangés par couches, au sein desquelles la direction de l'aimantation est identique, ou peu s'en faut. D'une couche à l'autre, cette direction est inversée, de sorte que ce sandwich a globalement et macroscopiquement une aimantation nulle.

Mais comme les chercheurs l'ont vérifié à l'aide de la puissante source de rayons X de l'université de Stanford, la SSRL (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), l'orientation de la magnétisation des atomes dans le nouveau multiferroïque peut être changée à volonté à l'aide d'un simple champ électrique à température ambiante. Des domaines d'aimantation stables peuvent donc y être produits et ce de façon réversible.

C'est donc une preuve de principe qu'il est possible d'aimanter certains matériaux qui ne le sont pas à l'aide d'un champ électrique et, surtout, à température ambiante. Comme dans les disques durs, où les bits d'information sont enregistrés sous forme de 0 et de 1 correspondant à la direction de l'aimantation locale...

Pour en savoir plus

On comprend mieux les étranges matériaux multiferroïques

Article de Laurent Sacco publié le 29/06/2012

Prédits par Pierre Curie dès la fin du XIXe siècle, les matériaux à la fois ferromagnétiques et ferroélectriques permettraient de fabriquer des mémoires magnétiques contrôlées à l'aide d'un champ électrique, avec une faible dissipation de chaleur. On les étudie donc de plus en plus attentivement ces dernières années pour percer leur secret.

Les matériaux multiferroïques sont prometteurs pour de potentielles applications dans des mémoires d'ordinateur car ils offrent la possibilité de contrôler une aimantation par un champ électrique. Ils ont une longue histoire, à la fois théorique et expérimentale. Dès 1894, Pierre Curie suspecte que des matériaux puissent être rendus magnétiques avec un champ électrique et polarisés électriquement par un champ magnétique.

Des décennies plus tard, c'est le grand physicien russe Lev Landau qui précise les conditions de l'apparition de tels effets magnétoélectriques dans les solides cristallins. Il les relie à des considérations de symétrie, dont l'importance en physique avait été saisie par Pierre Curie, et donc à la théorie de groupes issue des travaux d'un autre chercheur français, Évariste Galois.

Le prix Nobel Pierre Curie travaille dès 1894 sur les effets magnétoélectriques des matériaux. © ACJC Fonds Curie et Joliot-Curie

Alors que l'on connaissait déjà des matériaux ferromagnétiques, comme les aimants, il avait fallu attendre le début du XXe siècle pour que l'on découvre un matériau ferroélectrique.

Finalement, ce sont les années 1960 qui vont voir l'essor des travaux sur des cristaux à la fois ferromagnétiques et ferroélectriques. Une fois de plus, c'est l'école russe, dont les accomplissements en physique de la matière condensée depuis Yakov Frenkel sont notoires, qui va effectuer des travaux fondamentaux.

Les études sur les matériaux multiferroïques ont connu un nouveau souffle depuis les années 2000, notamment parce que l'on a découvert que, contrairement aux exemples connus qui manifestaient leurs propriétés de couplage magnétoélectrique à très basse température, une ferrite de bismuth (BiFeO3) est apparue antiferromagnétique et ferroélectrique à température ambiante.

Des ondes de spin et des forces de Yukawa dans un multiferroïque

Un cousin de ce matériaux, avec du terbium à la place du bismuth, vient de faire l'objet d'études intéressantes dont les résultats ont été publiés dans le journal Nature. L'article est disponible en accès libre sur arxiv.

Le prix Nobel de physique Lev Landau, qui précisa les conditions de l'apparition d'effets magnétoélectriques dans les solides cristallins. © USSR Magazine-Sovfoto

Pour comprendre ce qui se déroule dans des matériaux magnétiques, il est d'usage d'utiliser des faisceaux de neutrons. Ces particules sont neutres mais elles portent un spin, ce qui veut dire qu'elles vont être sensibles sélectivement aux effets magnétiques liés au spin des atomes dans ces matériaux et non aux champs électriques des électrons et des noyaux.

Les chercheurs, qui ont bombardé des échantillons de TbFeO3 refroidis presque au zéro absolu et plongés dans un champ magnétique, ont eu quelques surprises. Ils ont ainsi découvert que les atomes de terbium constituaient des domaines magnétiques en couches régulièrement espacées entre lesquelles se trouvaient les atomes de fer et d'oxygène. Ces domaines sont constitués de moments magnétiques des atomes orientés dans une même direction (spin et moment magnétiques sont liés). Surtout, ces couches interagissent entre elles via des ondes de spin grâce aux atomes de fer. Si l'on considère une série de petites boussoles sur une ligne dont les aiguilles pointent dans une même direction, ces ondes de spin sont des phénomènes de propagation d'un signal faisant basculer les aiguilles des boussoles.

Le résultat final, très étonnant, est que les domaines magnétiques sentent entre eux des forces mathématiquement décrites par la même équation proposée par Yukawa pour rendre compte des forces nucléaires entre protons et neutrons.

Les physiciens pensent qu'ils disposent maintenant de nouveaux éléments pour concevoir et fabriquer des matériaux multiferroïques susceptibles d'applications pratiques.

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