Les ferroélectriques contrôlés par la lumière pourraient révolutionner l’électronique future

Zhong Yin

Une équipe internationale de scientifiques dirigée par Le Phuong Hoang et Giuseppe Mercurio de l’European XFEL a dévoilé une nouvelle méthode permettant de manipuler les propriétés des matériaux ferroélectriques à l’aide de la lumière, et d’obtenir ainsi un contrôle à des échelles de temps ultra-rapides. Cette avancée majeure laisse entrevoir un avenir où les dispositifs de mémoire et les composants électroniques pourraient devenir considérablement plus rapides et plus économes en énergie.

Les ferroélectriques sont des cristaux dans lesquels les charges positives et négatives sont légèrement déplacées, produisant un champ électrique interne appelé polarisation spontanée. Cette polarisation ne peut normalement être inversée qu’à l’aide d’un champ électrique appliqué, une caractéristique qui rend les ferroélectriques très intéressants pour des applications telles que les commutateurs à l’échelle nanométrique et le stockage avancé de données.

À l’aide de flashs de rayons X et de lasers optiques exceptionnellement brillants et courts, l’équipe a étudié le titanate de baryum (BaTiO₃), un oxyde ferroélectrique prototypique. Elle a suivi les changements simultanés de polarisation, de structure cristalline et d’état électronique avec une résolution temporelle sans précédent de 90 femtosecondes, soit environ un millionième de milliardième de seconde.

Les expériences ont révélé un effet saisissant : en seulement 350 femtosecondes d’excitation laser, la polarisation du matériau a considérablement changé, tandis que le réseau cristallin sous-jacent est resté pratiquement inchangé. Pour la première fois, les chercheurs ont pu montrer que la polarisation peut être modifiée indépendamment de la distorsion du réseau cristallin, un phénomène qui avait longtemps été théorisé mais jamais observé.

« Ce résultat nous indique que les électrons excités par la lumière peuvent entraîner des changements de polarisation beaucoup plus rapidement que la structure cristalline elle-même ne peut réagir », a commenté Le Phuong Hoang. « Cela nous donne un nouveau levier pour contrôler le comportement des matériaux au niveau électronique. »

Les implications sont considérables. « Si la lumière seule peut réaliser ce qui nécessitait auparavant des circuits complexes et des champs externes, la conception des futurs appareils pourrait devenir beaucoup plus simple », a ajouté Giuseppe Mercurio, scientifique à l’European XFEL. « Nous pourrions même trouver des moyens d’appliquer des principes similaires à des matériaux qui combinent des propriétés électriques et magnétiques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l’électronique multifonctionnelle. »

Les lasers à électrons libres de nouvelle génération ouvrent des fenêtres sur des échelles de longueur et de temps autrefois inaccessibles, transformant ce que nous pouvons observer et comprendre, explique Zhong Yin, professeur associé à l’université Tohoku SRIS.

Cette étude démontre non seulement un nouveau mécanisme de contrôle des propriétés des matériaux, mais aussi un mécanisme plus rapide et plus polyvalent que les approches conventionnelles. En exploitant des impulsions lumineuses ultrarapides plutôt que des circuits électriques, les chercheurs estiment que ces travaux marquent une étape importante vers l’électronique contrôlée par la lumière, avec des applications potentielles dans les technologies de détection, le traitement des données et le stockage d’informations à faible consommation d’énergie.

Source : Tohoku U.

Article : « Ultrafast decoupling of polarization and strain in ferroelectric BaTiO3 » – Auteurs: Le Phuong Hoang, David Pesquera, Gerard N. Hinsley, Robert Carley, Laurent Mercadier, Martin Teichmann, Elena Martina Unterleutner, Daniel Knez, Martina Dienstleder, Saptam Ganguly, Teguh Citra Asmara, Giacomo Merzoni, Sergii Parchenko, Justine Schlappa, Zhong Yin, José Manuel Caicedo Roque, José Santiso, Irena Spasojevic, Cammille Carinan, Tien-Lin Lee, Kai Rossnagel, Jörg Zegenhagen, Gustau Catalan, Ivan A. Vartanyants, Giuseppe Mercurio
Journal: Nature Communications – DOI: 10.1038/s41467-025-63045-6