Les matériaux ferroïques tels que les ferromagnétiques et les ferroélectriques sont à la base du stockage de données moderne, mais sont confrontés à des limites : ils commutent lentement ou souffrent d'une polarisation instable due respectivement aux champs dépolarisants. Une nouvelle classe, les ferroaxiaux, évite ces problèmes en hébergeant des tourbillons de dipôles avec des textures dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, mais elles sont difficiles à contrôler.
Des chercheurs de l'Institut Max-Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) et de l'Université d'Oxford montrent désormais que les états ferroaxiaux bistables peuvent être commutés avec des éclairs uniques de lumière térahertz polarisée. Cela permet une commutation ultrarapide, contrôlée par la lumière et stable, une plate-forme pour le stockage de données non volatiles de nouvelle génération. L'ouvrage est publié dans la revue Science.
La société moderne s’appuie sur les technologies numériques, où toutes les informations sont fondamentalement codées dans un système binaire de 0 et de 1. Par conséquent, tout système physique capable de basculer de manière fiable entre deux états stables peut, en principe, servir de support de stockage de données numériques.
Les matériaux ferroïques sont des solides qui peuvent basculer entre deux de ces états stables. Les exemples les plus connus sont les ferromagnétiques, qui peuvent être magnétisés dans des directions opposées, et les ferroélectriques, qui peuvent contenir des polarisations électriques opposées. Parce que ces états sont facilement commutables par des champs magnétiques ou électriques, ces matériaux ferroïques sont largement utilisés dans les technologies électroniques et de stockage de données actuelles.
Cependant, ces systèmes présentent également des inconvénients : ils sont vulnérables aux influences externes, telles que de puissants champs magnétiques à proximité d'un disque dur, et ont tendance à se dégrader avec le temps. Cela rend la recherche de technologies alternatives de stockage de données très attractive.
Les matériaux ferroaxiaux sont un ajout récent à la famille ferroïque. Au lieu d’états magnétiques ou électriques, ces solides hébergent des tourbillons de dipôles électriques qui peuvent être orientés dans deux directions opposées sans créer de magnétisation nette ni de polarisation électrique. Ceux-ci sont très stables et insensibles aux champs extérieurs, mais pour la même raison très difficiles à contrôler, ce qui a limité jusqu'à présent leur exploration.
L'équipe de recherche, dirigée par Andrea Cavalleri, a utilisé des impulsions lumineuses térahertz à polarisation circulaire pour basculer entre les domaines ferroaxiaux dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans un matériau appelé dimolybdate de fer rubidium (RbFe(MoO₄)₂).
« Nous profitons d'un champ synthétique effectif qui apparaît lorsqu'une impulsion térahertz entraîne les ions dans le réseau cristallin en cercles », explique Zhiyang Zeng, auteur principal de ces travaux. « Ce champ effectif est capable de se coupler à l'état ferroaxial, tout comme un champ magnétique commuterait un ferromagnétique ou qu'un champ électrique inverserait un état ferroélectrique », ajoute-t-il.
« En ajustant l'hélicité, ou la torsion, des impulsions lumineuses polarisées circulairement, nous pouvons stabiliser sélectivement une disposition de rotation des dipôles électriques dans le sens horaire ou anti-horaire », déclare son collègue Michael Först. « De cette manière, il est possible de stocker des informations dans les deux états ferroïques. Étant donné que les ferroaxiaux sont exempts de champs électriques dépolarisants ou de champs magnétiques parasites, ils sont des candidats extrêmement prometteurs pour un stockage de données stable et non volatile. »
« Il s'agit d'une découverte passionnante qui ouvre de nouvelles possibilités pour le développement d'une plate-forme robuste pour le stockage ultrarapide d'informations », déclare Andrea Cavalleri. « Cela montre également comment les champs de phonons circulaires, réalisés pour la première fois dans notre groupe en 2017, apparaissent comme une nouvelle ressource pour le contrôle des phases de matériaux exotiques. »
