Des chercheurs de Paul Scherrer Institute PSI ont démontré une méthode innovante pour contrôler le magnétisme dans les matériaux à l'aide d'un champ électrique économe en énergie. La découverte se concentre sur les matériaux appelés magnétoélectriques, qui sont prometteurs pour les technologies énergétiques de nouvelle génération, le stockage de données, la conversion d'énergie et les dispositifs médicaux. Les résultats sont publiés dans la revue Communications de la nature.
Avec l'IA et les centres de données exigeant de plus en plus d'énergie, les scientifiques recherchent des technologies plus intelligentes et plus vertes. C'est là que les matériaux magnétoélectriques entrent en place: des composés spéciaux où les propriétés électriques et magnétiques sont liées. Cette connexion permet aux chercheurs de contrôler le magnétisme à l'aide de champs électriques, ce qui pourrait ouvrir la voie à des dispositifs de mémoire et informatique ultra-efficaces.
L'un de ces matériaux magnétoélectriques est l'oxylélénide de cuivre cristallin vert olive (Cu₂oseo₃). À basse température, les spins atomiques s'organisent en textures magnétiques exotiques, formant des structures telles que des hélices et des cônes. Ces modèles sont beaucoup plus grands que le réseau atomique sous-jacent et non fixés à sa géométrie, ce qui les rend hautement réglables.
Les neutrons regardent les champs électriques rediriger le magnétisme
Maintenant, les scientifiques de PSI ont démontré qu'un champ électrique peut diriger ces textures magnétiques à l'intérieur de l'oxylélénide de cuivre. Dans les matériaux typiques, les structures magnétiques – formées à partir de la torsion et de l'alignement des spins atomiques – sont verrouillées dans des orientations spécifiques. Dans l'oxylélénide de cuivre avec la bonne tension, les chercheurs pourraient les pousser et les réorienter.
C'est la première fois que la direction de propagation d'une texture magnétique pourrait être réorientée en continu dans un matériau à l'aide d'un champ électrique – un effet connu sous le nom de déviation magnétoélectrique.
Pour étudier les structures magnétiques, l'équipe a utilisé la ligne de faisceau sans-i au niveau de la source de neutrons de spallation suisse Sinq, une installation qui utilise des faisceaux de neutrons pour cartographier l'arrangement et l'orientation des structures magnétiques dans un solide à l'échelle nanométrique. Un environnement d'échantillon conçu sur mesure a permis aux chercheurs d'appliquer un champ électrique élevé tout en sondant simultanément la magnétisation à l'intérieur du cristal avec une diffusion à neutrons à petit angle (SAN).
« La capacité de diriger des textures magnétiques aussi importantes avec des champs électriques montre ce qui est possible lorsque des expériences créatives sont associées à des infrastructures de recherche de classe mondiale », explique Jonathan White, scientifique de la ligne de faisceau chez PSI. « La raison pour laquelle nous pouvons capturer un effet subtil que la déviation de la magnétoélectrique est due à la résolution et à la polyvalence exceptionnelles de SANS-I. »
De la physique nouvelle à la nouvelle technologie
La réponse de déviation magnétoélectrique nouvellement découverte a provoqué une enquête plus approfondie sur sa physique sous-jacente. Ce qu'ils ont trouvé était intrigant: les structures magnétiques n'ont pas simplement répondu – elles se sont comportées de trois manières distinctes en fonction de la force du champ électrique. De faibles champs électriques ont doucement dévié les structures magnétiques avec une réponse linéaire. Les champs moyens ont apporté un comportement plus complexe et non linéaire. Les champs élevés ont provoqué des flips spectaculaires à 90 degrés dans le sens de la propagation de la texture magnétique.
« Chacun de ces régimes présente des signatures uniques qui pourraient être intégrées dans les dispositifs de détection et de stockage », explique Sam Moody, chercheur postdoctoral chez PSI et auteur principal de l'étude. « Une possibilité particulièrement excitante est les dispositifs hybrides qui utilisent la capacité de régler le début de ces régimes en faisant varier la force du champ magnétique appliqué. »
La réponse de déviation magnétoélectrique offre un nouvel outil puissant pour contrôler le magnétisme sans s'appuyer sur des champs magnétiques à forte intensité d'énergie. Le niveau élevé de flexibilité avec lequel les chercheurs pourraient manipuler le magnétisme font de leur découverte une perspective passionnante pour les applications en technologie durable.
