Une inversion parfaite

Lorsque le bruit devient désagréable, on utilise depuis quelques années l'"antibruit" dans les casques ou les berlines haut de gamme. Un microphone enregistre les bruits gênants et une puce informatique calcule les contre-mesures appropriées : Des ondes sonores donc, dont les phases d'oscillation sont exactement opposées à celles du son ambiant. L'interférence entre les ondes a finalement pour effet de supprimer effectivement les bruits. Les physiciens et les ingénieurs aimeraient bien appliquer le principe de l'inversion parfaite à d'autres technologies, par exemple à la structure magnétique d'un matériau. C'est exactement ce qu'ont réussi à faire le professeur de l'ETH Manfred Fiebig et ses collaborateurs du département Science des matériaux à Zurich. Ils ont été soutenus par des scientifiques d'Europe, du Japon et de Russie. Leurs résultats sont publiés cette semaine dans la revue spécialisée Nature.

Magnétique et électrique à la fois

Pour ses expériences, l'équipe de Fiebig a utilisé ce que l'on appelle des multiferroïques. Contrairement à de nombreux autres matériaux qui présentent soit un ordre magnétique, soit un ordre électrique, les multiferroïques ont les deux : ils sont magnétiques, mais en même temps polarisés électriquement et s'alignent donc aussi bien le long des champs magnétiques que des champs électriques. Les mécanismes physiques qui assurent l'ordre magnétique et électrique au sein du matériau sont subtilement couplés.

Cela ouvre notamment la possibilité d'influencer l'aimantation non pas avec des champs magnétiques, comme c'est généralement le cas, mais au moyen de champs électriques. "C'est beaucoup plus efficace, car pour générer des champs magnétiques, il faut du courant électrique, ce qui coûte beaucoup d'énergie et génère une chaleur résiduelle gênante", explique Naëmi Leo, une ancienne doctorante du laboratoire de Fiebig. Dans les ordinateurs, par exemple, où des données doivent constamment être écrites sur des disques durs magnétiques, les multiferroïques pourraient être des matériaux clés pour réaliser d'importantes économies d'énergie.

Des formes de tangram comme source d'inspiration

À l'ETH, qui est depuis des années à la pointe de la recherche internationale sur les multiferroïques, on a tout de suite pensé à aller encore plus loin. "Un matériau dont on peut influencer la magnétisation à l'aide de champs électriques doit avoir une structure assez compliquée dès le départ", explique Fiebig en illustrant le principe par l'exemple du puzzle chinois Tangram : plus on a de pièces à disposition - des triangles, des carrés et un parallélogramme -, plus on peut créer des formes élaborées avec ces pièces.

Dans le cas des multiferroïques, les formes correspondent aux symétries du matériau qui déterminent ses propriétés physiques. Plus les symétries sont complexes, plus les paramètres dits d'ordre, qui décrivent dans quelle direction l'aimantation est dirigée dans un multiferroïque et comment elle est couplée à l'ordre électrique, sont à leur tour variés.

Des propriétés inattendues

Or, si les atomes d'un matériau sont déjà disposés de manière si compliquée, il est également très probable qu'il possède d'autres propriétés qui ne sont pas visibles au premier abord. "Nous ne voulions donc pas nous limiter aux phénomènes bien connus qui font l'objet de recherches depuis longtemps, mais plutôt voir quelles autres choses utiles les multiferroïques peuvent faire", explique Fiebig à propos de son approche de la recherche : " Comment pouvons-nous alors assembler les pièces du puzzle - les paramètres d'ordre - d'une autre manière que celle connue et parvenir ainsi à de nouvelles propriétés utiles ?"

Cette ouverture d'esprit face à l'inattendu a porté ses fruits. Fiebig et ses collaborateurs ont finalement trouvé un multiferroïque dans lequel non seulement l'ensemble de l'aimantation est orienté de manière uniforme par un champ appliqué, comme c'est le cas habituellement, mais aussi un multiferroïque dans lequel l'ensemble de l'aimantation est orienté de manière uniforme par un champ appliqué. Cela aurait en effet pour effet d'effacer l'information stockée magnétiquement - la répartition des zones magnétisées positivement et négativement dans le matériau. Au contraire, le champ a inversé l'aimantation dans chaque zone du matériau. Les zones magnétisées positivement ont été transformées en zones magnétisées négativement et vice versa. Mais l'information magnétique, c'est-à-dire la répartition des zones, a été conservée. "C'est comme si l'on inversait d'un coup chaque bit d'un disque dur d'ordinateur", explique Fiebig. "Sauf que nous le faisons par une seule impulsion de champ magnétique, alors qu'il faut normalement réécrire chaque bit séparément".

Inversion de la polarité d'un seul coup

Les chercheurs de l'ETH ont trouvé cet équivalent magnétique de l'anti-bruit dans un multiferroïque composé de cobalt, de tellure et d'oxygène. Grâce à sa structure cristalline complexe, ce matériau peut non seulement être polarisé magnétiquement et électriquement en même temps, mais il peut en outre posséder plusieurs paramètres d'ordre pour l'aimantation : un qui détermine l'orientation magnétique d'une zone et un autre qui "se souvient" de la disposition et de la forme de ces zones dans l'ensemble du matériau.

À l'aide d'une méthode d'enregistrement spéciale, dans laquelle la lumière laser polarisée est envoyée à travers le cristal en changeant de couleur, les chercheurs ont pu visualiser directement dans l'espace le processus d'inversion.

Rôles inversés

Mais ce n'est pas tout. Avec un autre multiferroïque, composé de manganèse, de germanium et d'oxygène, les physiciens ont pu réaliser un exploit similaire, mais cette fois-ci les rôles étaient inversés : Cette fois-ci, le champ magnétique n'a pas inversé la magnétisation, mais la polarisation électrique du matériau. Pour les chercheurs, il s'agit d'une nouvelle confirmation que les multiferroïques réservent effectivement encore de nombreuses surprises. "Il y a probablement encore beaucoup de choses à découvrir que nous ne pouvons pas encore imaginer aujourd'hui", estime Fiebig.