Découverte d’un nouveau type d’effet magnétoélectrique dans un cristal symétrique

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L’électricité et le magnétisme sont deux phénomènes physiquement souvent intimement liés. C’est notamment le cas dans certains cristaux où émerge un effet magnétoélectrique : les propriétés électriques du cristal peuvent être modifiées par l’application d’un champ magnétique, et vice-versa. Toutefois, l’effet magnétoélectrique ne peut exister dans les cristaux à structure symétrique. Mais récemment, des chercheurs ont découvert un tout nouveau type d’effet magnétoélectrique dans un cristal symétrique. Une découverte qui pourrait considérablement améliorer les technologies de stockage de l’information.

L’effet a été observé dans un type spécifique de cristal appelé langasite, qui est composé de lanthane, de gallium, de silicium et d’oxygène, et des atomes d’holmium. Fait important : ce cristal particulier a une structure symétrique, ce qui exclut la possibilité d’un lien entre le magnétisme et l’électricité.

« Le couplage ou non des propriétés électriques et magnétiques d’un cristal dépend de la symétrie interne du cristal. Si le cristal a un degré élevé de symétrie, par exemple si un côté du cristal est exactement l’image miroir de l’autre côté, alors pour des raisons théoriques, il ne peut y avoir aucun effet magnétoélectrique », explique le physicien Andrei Pimenov, de l’Université de technologie de Vienne.

Brisure de symétrie et effet magnétoélectrique : une question d’intensité du champ magnétique

Cependant, dans cette expérience, les règles ont changé : non seulement le cristal symétrique était capable de produire un effet magnétoélectrique, mais c’était en outre un tout nouveau type d’effet. Les auteurs expliquent que si la symétrie a été conservée dans un sens géométrique, le magnétisme des atomes d’holmium a brisé la symétrie, entraînant un effet du domaine de la physique quantique.

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Structure du langasite. Il s’agit d’un cristal symétrique dans lequel aucun effet magnétoélectrique n’est normalement possible. Crédits : Lukas Weymann et al. 2020

Cette rupture signifie que la polarisation est possible, où les charges positives et négatives dans le cristal se déplacent légèrement. Cela se fait facilement via un champ électrique, mais avec le langasite, cela pourrait également être fait avec un champ magnétique, et la clé s’est avérée être la force du champ magnétique.

« La structure cristalline est si symétrique qu’elle ne devrait en fait permettre aucun effet magnétoélectrique. Mais si nous augmentons la force du champ magnétique, quelque chose de remarquable se produit : les atomes d’holmium changent d’état quantique et gagnent un moment magnétique. Cela brise la symétrie interne du cristal. Et dans le cas de champs magnétiques faibles, il n’y a en effet aucun couplage avec les propriétés électriques du cristal », indique Pimenov.

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Alors que le langasite a montré une relation linéaire entre la polarisation et l’intensité du champ magnétique, ce qui est normal, la relation entre la polarisation et la direction du champ magnétique était inhabituelle ; elle était fortement non linéaire. Un petit changement simple dans la rotation du champ magnétique peut créer un grand changement dans l’effet de polarisation électrique.

Vers une optimisation des technologies de stockage de l’information

La prochaine étape pour les chercheurs est de voir si cet effet nouvellement découvert fonctionne également dans la direction opposée, en modifiant les propriétés magnétiques avec un champ électrique. Nombreuses sont les applications de cette technologie en termes de sauvegarde et de stockage de données informatiques. L’effet magnétoélectrique est également important pour divers types de technologies de capteurs.

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« Dans les mémoires magnétiques telles que les disques durs d’ordinateurs, des champs magnétiques sont nécessaires aujourd’hui. Ils sont générés avec des bobines magnétiques, ce qui nécessite une quantité relativement importante d’énergie et de temps. S’il y avait un moyen direct de changer les propriétés magnétiques d’une mémoire à semi-conducteurs avec un champ électrique, ce serait une percée », conclut Pimenov.

Sources : NPJ Quantum Materials

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