Un aimant à base de fer bien connu se révèle également comme un matériau d’information quantique potentiel

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Les scientifiques qui recherchaient de meilleures performances dans un aimant à base de fer y ont également découvert un comportement semi-conducteur à large écart et un état quantique utile pour le traitement de l’information quantique. La recherche est discutée plus en détail dans l’article “Enhanced magnetic anisotropy in lanthanum M-type hexaferrites by quantum-confined charge transfer“, rédigé par Churna Bhandari, Michael E. Flatté et Durga Paudyal ; et publié dans Physical Review Materials.


Des scientifiques du Critical Materials Institute (CMI) du département américain de l’Énergie étudient des moyens de fabriquer des matériaux moins coûteux et plus faciles à obtenir afin de les utiliser comme ingrédients dans les technologies qui sont actuellement demandées ou qui se développent pour l’avenir. C’est ainsi que les chercheurs recherchaient des moyens de créer un aimant permanent à base de fer plus puissant, ce que l’on appelle un aimant à “espace”.

Figure 1(À gauche) Structure cristalline de l’hexaferrite de type M (LaFe12O19) avec des configurations de spin de type Gorter des différents sous-réseaux de Fe. Les boules violettes, brunes et violettes sont Fe (2a), Fe (12k) et Fe (2b) avec spin-↑(vert) et les boules vert foncé et magenta sont Fe (4f1) et Fe (4f2) avec spin-↓ (rouge), respectivement. Les boules jaunes et noires sont des atomes La et O. (À droite) Les polyèdres de chaque sous-réseau Fe basés sur leurs atomes O les plus proches sont représentés avec les symétries de site. © Ames Laboratory.

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Les aimants permanents se divisent en deux grandes catégories. Les aimants permanents les plus performants contiennent des métaux des terres rares comme le samarium, le néodyme et le dysprosium. Leurs propriétés en font le meilleur et souvent le seul choix pour des applications telles que les disques durs et les moteurs des véhicules hybrides et électriques. Ces aimants sont généralement coûteux et leurs composants en terres rares peuvent être difficiles à obtenir.

Les seconds, les aimants permanents à base de fer, sont peu coûteux et constitués de matériaux facilement disponibles, mais leurs performances sont souvent trop faibles pour de nombreuses applications avancées. Entre les aimants en terres rares à haute performance et les aimants à base de fer à faible performance, on retrouve un «écart», où il existe un grand besoin d’aimants permanents qui fonctionnent dans la moyenne des propriétés souhaitables. Combler cet écart réduit le besoin d’aimants de terres rares et, à son tour, la difficulté de se procurer des matériaux de terres rares.

D’une pierre deux coups

La recherche d’un bon aimant à entrefer a conduit les scientifiques du CMI à examiner de plus près une classe d’aimants, les hexaferrites de fer, connus depuis les années 1950, pour voir s’ils pouvaient étendre leurs propriétés et leurs performances dans la plage d’entrefer. «Ce ne sont pas des matériaux faciles à travailler, ils sont très complexes. Mais nous pouvons utiliser les ordinateurs à un excellent avantage dans notre processus de découverte et analyser le grand nombre de possibilités de matériaux les plus prometteurs pour les propriétés que nous voulons ou dont nous avons besoin», a déclaré Durga Paudyal, un scientifique du CMI spécialisé dans la matière condensée théorique et informatique. la physique.

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Ce travail et d’autres ont établi que les hexaferrites à base de lanthane présentent un avantage par rapport aux hexaferrites conventionnelles à base de samarium. Les propriétés améliorées et les ingrédients facilement disponibles et moins chers ont identifié LaFe12O19 en particulier comme un excellent candidat pour un aimant à entrefer.

Mais la modélisation informatique réalisée par Paudyal et son équipe a également découvert des propriétés intrigantes supplémentaires dans le matériau, celles qui pourraient jouer un rôle important dans les communications quantiques. Ils ont découvert que l’alliage est un excellent semi-conducteur à large bande interdite, une catégorie de semi-conducteurs qui peut supporter des tensions, des fréquences et des températures plus élevées, et est très recherché pour le développement de nouvelles technologies de conversion d’énergie. Les chercheurs ont également été surpris de découvrir un nouvel état quantique dans ce matériau, qui verrouille fortement l’aimantation le long d’une direction fixe dans le cristal.

Une grande utilité pour les ordinateurs quantiques

La similitude chimique du lanthane avec d’autres terres rares suggère que ce matériau peut héberger d’autres terres rares possédant des états électroniques localisés non triviaux, y compris l’erbium qui est au cœur des communications par fibre optique. Ces types d’états localisés sont à l’étude dans le monde entier pour connecter les signaux des ordinateurs quantiques avec ceux qui voyagent dans les câbles à fibres optiques essentiels aux télécommunications modernes. Michael Flatté, un collaborateur sur les travaux de l’Université de l’Iowa, est très enthousiasmé par la découverte. “Des oxydes hébergés sur des terres rares comme ceux-ci joueront un rôle essentiel dans la découverte et le développement de nouveaux matériaux pour la science et l’ingénierie de l’information quantique”, a-t-il déclaré.

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“C’est un excellent exemple de la recherche collaborative du ministère de l’Énergie”, a déclaré Tom Lograsso, directeur du CMI. “Ames Lab et CMI ont une vaste expertise et une vaste histoire dans les matériaux de terres rares, et les chercheurs dans un domaine peuvent reconnaître des propriétés importantes pour d’autres, apportant des avantages et des découvertes à plusieurs domaines de recherche”.

Voir la publication

Churna Bhandari, Michael E. Flatté, and Durga Paudyal. “Enhanced magnetic anisotropy in lanthanum M-type hexaferrites by quantum-confined charge transfer”. Phys. Rev. Materials 5, 094415.

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