Comment une nouvelle substance étrange va révolutionner la technologie

Les chercheurs ont découvert que l’iodure de nickel présente un couplage magnétoélectrique exceptionnel, ce qui le rend particulièrement adapté à une utilisation dans les technologies à grande vitesse et à haut rendement énergétique telles que les mémoires magnétiques et l’informatique quantique.

Le matériau multiferroïque stratifié iodure de nickel pourrait être le meilleur candidat à ce jour pour des dispositifs tels que la mémoire magnétique d’ordinateur qui sont extrêmement rapides et compacts.

Multiferroïques et iodure de nickel

Depuis des décennies, les scientifiques étudient un groupe de matériaux inhabituels appelés multiferroïques qui pourraient être utiles pour toute une gamme d’applications, notamment les mémoires d’ordinateur, les capteurs chimiques et les ordinateurs quantiques. Dans une étude publiée dans Naturedes chercheurs de l’Université du Texas à Austin et de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) ont démontré que le matériau multiferroïque en couches, l’iodure de nickel (NiI₂) pourrait être le meilleur candidat à ce jour pour les appareils extrêmement rapides et compacts.

Les multiferroïques ont une propriété spéciale appelée couplage magnétoélectrique, ce qui signifie que vous pouvez manipuler les propriétés magnétiques du matériau avec un champ électrique et vice versa, les propriétés électriques avec des champs magnétiques. Les chercheurs ont découvert NiI₂ possède un couplage magnétoélectrique plus important que tout autre matériau connu de ce type, ce qui en fait un candidat de choix pour les avancées technologiques.

Percée dans le couplage magnétoélectrique

« Dévoiler ces effets à l’échelle de paillettes d’iodure de nickel de faible épaisseur a été un formidable défi », a déclaré Frank Gao, chercheur postdoctoral en physique à l’UT et co-auteur principal de l’article, « mais notre succès représente une avancée significative dans le domaine des multiferroïques. »

« Notre découverte ouvre la voie à des dispositifs magnétoélectriques extrêmement rapides et économes en énergie, y compris des mémoires magnétiques », a ajouté l’étudiant diplômé Xinyue Peng, autre co-auteur principal du projet.

Propriétés fondamentales et méthodologies de recherche

Les champs électriques et magnétiques sont fondamentaux pour notre compréhension du monde et pour les technologies modernes. À l’intérieur d’un matériau, les charges électriques et les moments magnétiques atomiques peuvent s’ordonner de telle manière que leurs propriétés s’additionnent, formant une polarisation électrique ou une magnétisation. De tels matériaux sont appelés ferroélectriques ou ferromagnétiques, selon laquelle de ces quantités est dans un état ordonné.

Cependant, dans les matériaux exotiques que sont les multiferroïques, ces ordres électriques et magnétiques coexistent. Les ordres magnétiques et électriques peuvent être intriqués de telle manière qu’un changement dans l’un entraîne un changement dans l’autre. Cette propriété, connue sous le nom de couplage magnétoélectrique, fait de ces matériaux des candidats intéressants pour des dispositifs plus rapides, plus petits et plus efficaces. Pour que ces dispositifs fonctionnent efficacement, il est important de trouver des matériaux avec un couplage magnétoélectrique particulièrement fort, comme l’équipe de recherche décrit le cas avec NiI₂ dans leur étude.

Les chercheurs y sont parvenus en excitant le matériau avec des impulsions laser ultracourtes de l’ordre des femtosecondes (un millionième de milliardième de seconde), puis en suivant les changements résultants dans les ordres électriques et magnétiques du matériau et le couplage magnétoélectrique via leur impact sur des propriétés optiques spécifiques.

Applications potentielles et recherches futures

Pour comprendre pourquoi le couplage magnétoélectrique est tellement plus fort dans NiI₂ que dans des matériaux similaires, l’équipe a effectué des calculs approfondis.

« Deux facteurs jouent ici un rôle important », a déclaré Emil Viñas Boström, co-auteur de l’étude au MPSD. « L’un d’eux est le couplage fort entre le spin des électrons et le mouvement orbital des atomes d’iode – il s’agit d’un effet relativiste connu sous le nom de couplage spin-orbite. Le deuxième facteur est la forme particulière de l’ordre magnétique dans l’iodure de nickel, connue sous le nom de spirale de spin ou d’hélice de spin. Cet ordre est crucial à la fois pour initier l’ordre ferroélectrique et pour la force du couplage magnétoélectrique. »

Des matériaux comme le NiI₂ Les dispositifs à couplage magnétoélectrique élevé ont un large éventail d’applications potentielles, selon les chercheurs. Il s’agit notamment de mémoires informatiques magnétiques compactes, économes en énergie et pouvant être stockées et récupérées beaucoup plus rapidement que les mémoires existantes ; d’interconnexions dans des plateformes informatiques quantiques ; et de capteurs chimiques capables de garantir le contrôle de la qualité et la sécurité des médicaments dans les industries chimiques et pharmaceutiques.

Les chercheurs espèrent que ces découvertes révolutionnaires pourront être utilisées pour identifier d’autres matériaux aux propriétés magnétoélectriques similaires et que d’autres techniques d’ingénierie des matériaux pourraient éventuellement conduire à une amélioration supplémentaire du couplage magnétoélectrique dans NiI.₂.

Ce travail a été conçu et supervisé par Edoardo Baldini, professeur adjoint de physique à l’UT, et Angel Rubio, directeur du MPSD.

Les autres auteurs de l’article sont Dong Seob Kim et Xiaoqin Li. Les autres auteurs de MPSD sont Xinle Cheng et Peizhe Tang. Les autres auteurs sont Ravish K. Jain, Deepak Vishnu, Kalaivanan Raju, Raman Sankar et Shang-Fan Lee de l’Academia Sinica ; Michael A. Sentef de l’Université de Brême ; et Takashi Kurumaji du California Institute of Technology.

Le financement de cette recherche a été assuré par la Fondation Robert A. Welch, la National Science Foundation des États-Unis, le Bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air américaine, le programme de recherche et d’innovation Horizon Europe de l’Union européenne, le cluster d’excellence « CUI : Advanced Imaging of Matter », Grupos Consolidados, le Centre Max Planck-New York City pour les phénomènes quantiques hors équilibre, la Fondation Simons et le ministère de la Science et de la Technologie de Taïwan.