De minuscules vortex électriques comblent le gap entre les matériaux ferroélectriques et ferromagnétiques

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Des physiciens de l’Université de Warwick découvrent la présence d’une texture ferroélectrique spéciale qui reflète la phase cristalline de spin (symétrie en forme de damier) dans les ferromagnétiques. Les matériaux ferromagnétiques ont un champ magnétique permanent. Les matériaux ferroélectriques font de même avec un champ électrique. Les chercheurs suggèrent qu’à des échelles suffisamment petites, les caractéristiques des deux pourraient être presque identiques, bien qu’elles soient causées par une physique très différente. Les deux classes de matériaux ont des utilisations dans l’électronique, en particulier le stockage de données.

L’image représente le modèle 3D du motif de polarisation dans le PbTiO3 ferroélectrique représentant la modulation cycloïdale du cœur du vortex. © University of Warwick.

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Les matériaux ferromagnétiques ont un champ magnétique auto-générateur, les matériaux ferroélectriques génèrent leur propre champ électrique. Bien que les champs électriques et magnétiques soient liés, la physique nous dit qu’il s’agit de classes de matériaux très différentes. Maintenant, la découverte par des scientifiques dirigés par l’Université de Warwick d’un motif électrique complexe semblable à un «vortex» qui reflète son homologue magnétique suggère qu’ils pourraient en fait être les deux faces d’une même pièce. Détaillés dans une nouvelle étude pour la revue Nature, financée par le Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), qui fait partie de UK Research and Innovation, et la Royal Society, les résultats donnent la première preuve d’un processus dans les matériaux ferroélectriques comparable au Interaction Dzyaloshinskii–Moriya dans les ferromagnétiques. Cette interaction particulière joue un rôle central dans la stabilisation des structures magnétiques topologiques, telles que les skyrmions, et elle pourrait être cruciale pour les nouvelles technologies électroniques potentielles exploitant leurs analogues électriques.

Les cristaux ferroélectriques en vrac sont utilisés depuis de nombreuses années dans une gamme de technologies, notamment les sonars, les transducteurs audio et les actionneurs. Toutes ces technologies exploitent les dipôles électriques intrinsèques et leur inter-relation entre la structure cristalline du matériau et les champs appliqués. Pour cette étude, les scientifiques ont créé un film mince de titanate de plomb ferroélectrique pris en sandwich entre des couches de ruthénate de strontium ferromagnétique, chacune d’environ 4 nanomètres d’épaisseur – seulement deux fois l’épaisseur d’un seul brin d’ADN. Alors que les atomes des deux matériaux forment une seule structure cristalline continue, dans la couche de titanate de plomb ferroélectrique, la polarisation électrique formerait normalement plusieurs “domaines”, comme un nid d’abeilles. Ces domaines ne peuvent être observés qu’en utilisant la microscopie électronique à transmission et la diffusion des rayons X de pointe.

Mais lorsque l’équipe de l’Université de Warwick a examiné la structure des couches combinées, elle a constaté que les domaines du titanate de plomb étaient une structure topologique complexe de lignes de vortex, tournant alternativement dans des directions différentes. Un comportement presque identique a également été observé dans les ferromagnétiques où il est connu pour être généré par l’interaction Dzyaloshinskii – Moriya (DMi). L’auteur principal, le professeur Marin Alexe du département de physique de l’Université de Warwick, a déclaré : “Si vous regardez comment ces caractéristiques diminuent, la différence entre le ferromagnétisme et la ferroélectricité devient de moins en moins importante. Il se peut qu’ils fusionnent à un moment donné en un seul matériau. Cela pourrait être artificiel et combiner de très petits ferromagnétiques et ferroélectriques pour tirer parti de ces caractéristiques topologiques. Il est très clair pour moi que nous sommes à la pointe de l’iceberg en ce qui concerne la destination de cette recherche”.

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Le co-auteur Dorin Rusu, étudiant de troisième cycle à l’Université de Warwick, a déclaré: “Réaliser que dans les ferroélectriques, les textures dipolaires qui imitent leur homologue magnétique à un tel degré garantit des recherches supplémentaires sur la physique fondamentale qui entraîne de telles similitudes. Ce résultat n’est pas un question triviale quand on considère la différence dans l’origine et les forces des champs électriques et magnétiques”. L’existence de ces vortex avait déjà été théorisée, mais il a fallu l’utilisation de microscopes électroniques à transmission de pointe à l’Université de Warwick, ainsi que l’utilisation de synchrotrons dans quatre autres installations, pour les observer avec précision. Ces techniques ont permis aux scientifiques de mesurer la position de chaque atome avec un degré élevé de certitude. La co-auteure, la professeure Ana Sanchez, a déclaré : “La microscopie électronique est une technique révolutionnaire pour comprendre ces structures topologiques. C’est l’outil clé pour révéler les tenants et les aboutissants de ces nouveaux matériaux, en utilisant un faisceau subatomique d’électrons pour générer des images de structure”. Le co-auteur, le professeur Thomas Hase, a ajouté : “L’accès à des installations haut de gamme au Royaume-Uni, en Europe et aux États-Unis a été essentiel pour cette recherche particulière”.

Voir la publication

Rusu, D., Peters, J.J.P., Hase, T.P.A. et al. Ferroelectric incommensurate spin crystals. Nature 602, 240–244 (2022). DOI : 10.1038/s41586-021-04260-1

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