Bien que le ferromagnétisme soit un phénomène physique relativement bien compris, sa contrepartie électrique, la ferroélectricité, demeure énigmatique pour les scientifiques. Toutefois, cette situation pourrait être sur le point de changer. Des physiciens ont mis en évidence les hystérons, des nano-structures moléculaires à l’origine de la ferroélectricité dans les matériaux et prédites il y a plusieurs dizaines d’années. Une découverte qui pourrait révolutionner les systèmes de stockage de données. 

Des chercheurs de l’Université de Linköping en Suède et de l’Université de technologie d’Eindhoven aux Pays-Bas, ont détecté des hystérons en analysant la manière dont les molécules de deux matériaux différents respectent les règles de la ferroélectricité. Dans le cas du ferromagnétisme, les particules composant un matériau se réarrangent en fonction de l’application d’un champ magnétique. Dans la ferroélectricité, cette reconfiguration dépend du champ électrique.

Ces deux phénomènes dépendent donc de la façon dont les particules s’organisent en unités appelées dipôles. Dans le cadre du ferromagnétisme, ce sont des pôles nord et sud, tandis que dans les matériaux ferroélectriques, ce sont des pôles positifs et négatifs. Les dipôles sont généralement disposés au hasard, pointant dans tous les sens. Mais sous la contrainte d’un champ électrique ou magnétique assez puissant, ces pôles individuels se polarisent collectivement et forment un champ cohérent qui leur est propre.

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L’intensité du champ électromagnétique à appliquer dépend de chaque matériau et se nomme l’hystérésis ; cette dernière désigne la propriété d’un système à évoluer différemment selon l’intensité d’une force extérieure. Le phénomène est d’autant plus complexe que dans un même matériau, toutes les molécules ne possèdent pas la même hystérésis magnétique.

Schéma expliquant le fonctionnement du ferromagnétisme. Lors de l’application d’un champ magnétique, les dipôles magnétiques du matériau se réarrangent de manière permanente. Dans le cadre de la ferroélectricité, c’est l’application d’un champ électrique qui entraîne cette reconfiguration. Crédits : PhysiqueFacile

Ces groupes d’atomes et de molécules sont appelés « domaines magnétiques » dans le cas du ferromagnétisme. En 1935, le physicien Franz Preisach publie un article dans lequel il décrit l’équivalent de ces domaines magnétiques dans le cadre de la ferroélectricité : les hystérons. Selon le modèle de Preisach, les hystérons individuels devraient réagir à différentes intensités de champ, tout comme les domaines. Bien que l’idée soit séduisante, les physiciens, au cours des dernières années, n’ont pas fait de réels progrès dans la confirmation du modèle.

En comparant une paire de matériaux ferroélectriques organiques avec des structures uniques, les chercheurs ont identifié des arrangements de molécules qui ressemblent aux hypothétiques hystérons. Bien qu’ils présentent de nombreuses différences, les deux matériaux contenaient chacun des empilements de molécules d’une longueur de quelques nanomètres. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.

hysterons piles molecules

Illustration montrant l’empilement des molécules (disques) et les interactions ferroélectriques (flèches bleues). Crédits : Indrė Urbanavičiūtė

« L’intérêt c’est qu’elles ont des tailles différentes mais interagissent fortement les unes avec les autres puisqu’elles sont regroupées » explique Martijn Kemerink, physicien à l’université de Linköping. « En plus de sa taille unique, chaque pile moléculaire ressent donc un environnement différent des autres piles, ce qui explique la distribution de Preisach ».

Comme la plupart des matériaux ferroélectriques sont assez similaires, il a été difficile pour les chercheurs de réussir à trouver deux matériaux suffisamment différents pour réduire les corrélations statistiques. L’autre défi était de pouvoir manipuler les piles moléculaires pour les étudier avec une grande précision.

De nombreux systèmes de stockage de données informatiques reposent sur le changement de dipôles magnétiques au sein de matériaux ferromagnétiques. Une meilleure compréhension des hystérons dans le cadre de la ferroélectricité pourrait ouvrir la voie à une toute nouvelle génération de systèmes de stockage de l’information.

« Maintenant que nous avons montré comment les molécules interagissent les unes avec les autres à l’échelle nanométrique, nous pouvons prédire la forme de la courbe d’hystérésis. Cela permet également d’expliquer la dynamique des phénomènes ferroélectriques » conclut Kemerink.

Source : Nature Communications

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