Rendre possible l'impossible
Villigen, 26.10.2018 - Les multiferroïques sont considérés comme les matériaux miracle des mémoires informatiques du futur – pour autant que l'on arrive à conserver leurs propriétés particulières aux températures de fonctionnement d'un ordinateur. Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI et leurs collègues de l'Institut Laue-Langevin ILL à Grenoble viennent d'y parvenir. Ils ont ainsi fait franchir à ce matériau un pas décisif en direction de la faisabilité. L'utilisation de matériaux multiferroïques devrait permettre l'avènement d'ordinateurs moins énergivores, car avec eux, il suffirait d'un champ électrique pour assurer le stockage magnétique des données. Or la production de ce champ électrique nécessite beaucoup moins de courant et de refroidissement qu'il n'en faut dans les mémoires magnétiques conventionnelles. Les multiferroïques réunissent des propriétés magnétiques et électriques, ce qui en fait des matériaux particulièrement rares. La plupart des matériaux de ce genre présentent ces deux propriétés uniquement à des températures largement inférieures à 0°C. Pour arriver à garder stables les propriétés magnétiques même à une température de 100°C, les chercheurs ont recours à une astuce. Ils utilisent des atomes plus petits que ceux dont on s'est servi jusqu'ici, ce qui rend le matériau plus compact à l'intérieur. Cela suffit pour rendre sa structure résistante à la chaleur et lui faire conserver ses importantes propriétés magnétiques. Les chercheurs publient aujourd'hui leurs résultats dans la revue spécialisée Science Advances.
Les ordinateurs fonctionnent souvent en continu et consomment ainsi beaucoup de kilowatts heure de courant chaque année. Ils utilisent une bonne partie de cette énergie pour la sauvegarde des données. Ces dernières sont inscrites sur le disque dur sous forme de bits magnétiques à l'état 0 ou 1, ce qui demande une constante inversion de polarité du plus vers le moins et inversement. Cette inversion des pôles magnétiques est très énergivore et entraîne une importante production de chaleur. Si bien que les ordinateurs doivent être refroidis en continu quand ils fonctionnent. Cela nécessite beaucoup de courant, occasionne des coûts et n'est pas écologique. Depuis longtemps, des scientifiques tentent de trouver un matériau qui élimine cet inconvénient du stockage conventionnel. Depuis quelques années, des chercheurs s'intéressent à ce qu'on appelle les multiferroïques magnétoélectriques comme alternative possible. Ces matériaux permettent en effet d'obtenir les fonctions magnétiques requises en appliquant un champ électrique au lieu d'un champ magnétique, car les deux propriétés physiques y sont couplées l'une à l'autre. Normalement, cet état apparaît uniquement à des températures inférieures à moins 173°C et se perd à nouveau quand on revient dans une fourchette de températures quotidiennes. Il y a deux ans, une équipe du PSI avait déjà réussi à relever cette limite de température à 37°C. Un grand progrès, mais qui restait insuffisant pour envisager une utilisation dans des ordinateurs portables et autres mémoires informatiques ayant tendance à surchauffer. Marisa Medarde et Tian Shang, tous deux chercheurs au PSI, viennent maintenant de réussir à stabiliser un matériau multiferroïque magnétoélectrique de telle sorte qu'il conserve de manière durable ses propriétés magnétiques même à une température de 100°C. Cette température dépasse de 60°C ce qui était possible jusqu'ici, se réjouit Marisa Medarde. Il faudra encore beaucoup de travail de recherche, mais nous sommes rapprochés encore d'une possible utilisation en ordinateur.
Deux en un
La classe relativement jeune des multiferroïques magnétoélectriques est composée de différents mélanges d'éléments chimiques. Leur dénominateur commun: ils contiennent à la fois des petits aimants et une combinaison de charges électriques positives et négatives appelée dipôle électrique. Normalement, les dipôles électriques peuvent être influencés par application d'un champ électrique et les petits aimants par application d'un champ magnétique. Or, dans le cas d'un matériau multiferroïque, un champ électrique suffit pour les deux. En pratique, les champs électriques peuvent être produits beaucoup plus facilement et à bien moindre coût. Ils consomment beaucoup moins de courant. Tout cela rend des multiferroïques magnétoélectriques très intéressants d'un point de vue économique. Mais comment rendre possible l'impossible? Dans son laboratoire au PSI, Tian Shang nous montre différentes poudres cristallines grises, blanches et jaunes, qu'il chauffe pour ses essais dans un four de laboratoire: Ici, nous utilisons du baryum, du cuivre, du fer et des terres rares, que nous chauffons pendant deux jours à une température de plus de 1100°C, explique le physicien. Puis nous refroidissons les poudres pour les ramener lentement à température ambiante, avant de les presser sous forme de pellets que nous chauffons ensuite encore une fois pendant 50 heures. Pour finir, nous les refroidissons d'un coup avec de l'azote liquide. La pastille gris mat que l'on obtient au terme de cette procédure est ce qu'on appelle une perovskite cuivre-fer. Ce cristal qui tient sur le bout du doigt est peu spectaculaire de prime abord.
Aimants frustrés
La particularité du matériau se joue au niveau invisible des atomes, plus exactement dans sa structure cristalline. Cette dernière se présente comme une succession de cages superposées, dont les coins sont occupés par des atomes de baryum et d'yttrium. La position des différents atomes est déterminée par la structure de la grille. Les petits aimants de cuivre et de fer se trouvent à l'intérieur des cages. Des forces électromagnétiques agissent entre ces aimants et déterminent sa orientation. . Normalement, deux aimants s'agencent de manière parallèle l'un à l'autre ou dans la direction opposée l'un à l'autre. Mais il peut arriver que des forces magnétiques venues de directions complètement différentes agissent. Les aimants oscillent alors comme de petites aiguilles de boussole. En langage de spécialiste, on parle d'aimants frustrés. Afin d'éviter cet état instable et de conserver leur magnétisme, les aimants cuivre-fer s'ordonnent en spirale dans le matériau prometteur. Si on l'agrandissait, cette spirale se présenterait comme une superposition de nombreuses aiguilles de boussoles, chacune pointant dans une direction légèrement décalée par rapport à la précédente. Cette forme spiralée peut produire une polarisation électrique et donc être responsable des propriétés ferroélectriques dans le matériau, explique Marisa Medarde. Lorsque les aimants sont agencés en spirale, ils induisent des dipôles électriques dans la grille et le matériau se voit doté des deux propriétés, électrique et magnétique, couplées l'une à l'autre. A température normale, les aiguilles de boussole perdent leur agencement hélicoïdal, ce qui fait disparaître aussi les propriétés multiferroïques couplées. Dans le cadre de travaux précédents, Marisa Medarde et son groupe avaient déjà montré qu'un refroidissement rapide gelait les spirales magnétiques dans le matériau. Lors de leur nouvelle recherche, Marisa Medarde et Tian Shang se sont attelés au peaufinage des grilles cristallines multiferroïques. Grâce à quelques petites adaptations microscopiques, ils ont réussi à relever à 100°C leur stabilité à la température.
La proximité induit la force
Pour ce faire, Tian Shang n'a pas seulement refroidi extrêmement vite le matériau, il a aussi utilisé une astuce connue depuis longtemps des chimistes, qui consiste tout simplement à réduire l'écart entre les atomes dans la grille cristalline, ce qui les rapproche les uns des autres. Cette structure plus compacte a entraîné une telle modification des forces électromagnétiques dans le cristal, que la structure spiralée des aimants cuivre-fer est restée stable même à des températures plus élevées. Tian Shang a obtenu ce résultat en remplacement quelques atomes de baryum dans la grille cristalline par des atomes de strontium plus petits. Il a ajouté le strontium lors de la fabrication du matériau dans le four de réaction, avant de le refroidir selon la méthode éprouvée. Le physicien a aussi cherché à savoir si la combinaison des deux méthodes avait vraiment l'effet désiré. Tian Shang a analysé le matériau gris noir au moyen de différentes méthodes de mesure, entre autres à la source de neutrons SINQ, l'une des grandes installations de recherche du PSI. En se servant d'instruments spéciaux, il a réussi à identifier l'empreinte des spirales magnétiques. Un instrument a été particulièrement important pour le chercheur: il porte le nom compliqué de diffractomètre de neutrons. Cet appareil, que Tian Shang a utilisé aussi bien à la SINQ qu'à l'Institut Laue-Langevin ILL à Grenoble, a mis en évidence les endroits où se trouvaient les atomes dans la grille cristalline et la distance qui les séparait les uns des autres. Le refroidissement rapide du matériau combiné à la modification de la distance entre les atomes a permis d'obtenir cet effet, relève le chercheur. Le domaine de stabilité des spirales magnétiques est aujourd'hui bien plus élevé qu'avant. Il a ainsi atteint le domaine de stabilité nécessaire pour l'utilisation dans les ordinateurs. Cependant, relève le physicien, il faudra encore patienter avant que le matériau puisse être utilisé dans les mémoires informatiques du futur. Pour que ce soit possible, il faudra aussi qu'il fonctionne en films minces nécessitant beaucoup moins de matériau. Marisa Medarde et Tian Shang y travaillent déjà. Et ils essayent de compacter encore davantage le cristal de perovskite en y insérant des atomes encore plus petits que ceux de strontium. S'ils réussissent il y a de bonnes chances pour qu'un jour, ce matériau multiferroïque fournisse la base qui révolutionnera la technologie de stockage.
Texte: Sabine Goldhahn
À propos du PSI
L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 390 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).
Publication originale
Design of magnetic spirals in layered perovskites: Extending the stability range far beyond room temperature
T. Shang, E. Canévet, M. Morin, D. Sheptyakov, M. T. Fernández-Díaz, E. Pomjakushina, and M. MedardeScience Advances 4, eaau6386 (2018), 26. Oktober 2018 (online)
DOI: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aau6386
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