Un multiferroïque à température ambiante pour une informatique à faible consommation d’énergie

Une équipe de chercheurs de l’Université Rice a conçu une nouvelle version d’un multiferroïque bien connu, dont les performances sont des ordres de grandeur supérieures à température ambiante par rapport à son matériau parent.

L’étude, publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences, décrit une version modifiée de la ferrite de bismuth qui présente une augmentation de l’aimantation d’un facteur 10 et du couplage magnétodélectrique d’un facteur 100 par rapport aux variétés standard. Le processus de synthèse a consisté à mélanger de la ferrite de bismuth avec du titanate de baryum tout en faisant croître le matériau sous forme de couche mince sur un substrat qui déforme sa structure cristalline.

« Personne n’avait jamais tourné les deux boutons à la fois – à la fois la contrainte et la chimie », a déclaré Lane Martin, qui a dirigé l’étude. « Nous avons pu combiner deux systèmes de matériaux différents en un nouveau matériau avec une nouvelle structure et une nouvelle combinaison de propriétés. »

L’informatique moderne repose sur le déplacement et le stockage d’informations en commutant le flux d’électrons, un processus désormais bien compris et contrôlé dans les systèmes à base de silicium. Cependant, cette infrastructure matérielle a atteint une limite d’efficacité.

« L’électronique d’aujourd’hui a un problème d’énergie », a affirmé Martin, professeur Robert A. Welch de science des matériaux et nano-ingénierie à Rice. « Au cours des cinq à dix prochaines années, l’informatique pourrait consommer jusqu’à un quart ou un tiers de toute l’énergie produite, ce qui est insoutenable. »

Les scientifiques et ingénieurs en matériaux explorent des moyens d’utiliser des propriétés supplémentaires des électrons, ainsi que d’autres particules fondamentales, comme base pour de nouvelles formes de calcul. Une approche se concentre sur le contrôle du spin de l’électron, une propriété magnétique.

« Une classe de matériaux étudiée sérieusement depuis 20 à 25 ans est celle des multiferroïques », a déclaré Martin, qui dirige l’Institut des matériaux avancés de Rice. « Les multiferroïques ont, comme leur nom l’indique, plusieurs paramètres d’ordre. Ceux qui nous intéressent le plus sont ferroélectriques, ils ont donc une polarisation spontanée que l’on peut commuter avec un champ électrique, et ils sont également magnétiques. »

Les multiferroïques sont prometteurs en raison du couplage qui se produit entre ces différentes propriétés, appelé magnétodélectricité, qui permet à un champ électrique de modifier le magnétisme d’un matériau ou à un champ magnétique de modifier sa polarisation. Cette commutation pourrait fournir la base physique pour effectuer des opérations de mémoire et de logique en utilisant beaucoup moins d’énergie et même combiner les deux fonctions en un seul élément.

Le défi a été de trouver un matériau unique à la fois fortement ferroélectrique et fortement magnétique à température ambiante. La ferrite de bismuth est étudiée depuis longtemps comme candidat potentiel, mais son magnétisme est faible car ses moments atomiques s’annulent mutuellement.

L’ajout de titanate de baryum, un composant non magnétique, en combinaison avec une contrainte soigneusement conçue, a eu l’effet inattendu d’augmenter l’aimantation globale du nouveau matériau tout en préservant de fortes propriétés électriques.

« Je ne m’attendais pas à une augmentation aussi importante de l’aimantation », a déclaré Tae Yeon Kim, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Martin et premier auteur de l’étude. « Au début, j’étais enthousiasmé par la nouvelle structure, mais quand j’ai mesuré le magnétisme, je suis devenu très anxieux. Nous avons répété les mesures de nombreuses fois pour nous assurer que c’était réel. »

La prudence de Kim était justifiée car mesurer les propriétés magnétiques de couches minces peut être difficile. Pour valider ses résultats, Kim a passé plus de six mois à fabriquer et tester des échantillons – elle a même enrôlé un autre membre du laboratoire pour faire croître le même matériau indépendamment en utilisant sa recette afin de s’assurer qu’ils pouvaient reproduire les résultats.

La majeure partie du travail a été effectuée à Rice, mais l’équipe a également utilisé des installations extérieures, notamment des mesures synchrotron à l’Advanced Light Source du Lawrence Berkeley National Laboratory, et a collaboré avec des chercheurs de l’Université Bar-Ilan, de l’Université Drexel, du Massachusetts Institute of Technology, de l’Université Northeastern, de l’Université de Californie à Berkeley, de l’Université de Pennsylvanie et du U.S. Naval Research Laboratory sur un ensemble d’approches pour comprendre ce matériau complexe.

Au-delà de la découverte d’un nouveau matériau prometteur, ce travail indique également une stratégie plus large pour créer de nouveaux multiferroïques en combinant chimie et contrainte pour créer des structures aux propriétés inattendues. De plus, l’ajout d’atomes non magnétiques a rendu le matériau plus magnétique – un résultat surprenant qui pourrait guider la conception future de matériaux.

« C’est la partie amusante de la science », a conclu Martin. « Quand un matériau fait quelque chose d’inattendu, nous devons alors comprendre pourquoi. »

Article : Strong intrinsic multiferroism and magnetoelectric coupling in (1–x)BiFeO3-(x)BaTiO3 films – Journal : Proceedings of the National Academy of Sciences – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : RICE U.