Modifier les propriétés magnétiques avec de l'électricité
Des scientifiques de l'ETH Zurich et du PSI ont trouvé des indices selon lesquels les propriétés magnétiques de certains matériaux peuvent être modifiées extrêmement rapidement. C'est une raison d'espérer que de tels matériaux permettront à l'avenir de fabriquer des disques durs d'ordinateur ultra-rapides.
En règle générale, il n'y a qu'une seule fa?on de rendre un objet approprié magnétique : On l'expose à un champ magnétique extérieur. Une classe spéciale de matériaux, les multiferro?ques, offre toutefois une deuxième possibilité : leurs propriétés magnétiques peuvent être directement influencées par l'application d'une tension électrique. Les multiferro?ques font actuellement l'objet de recherches intensives en physique. Cela s'explique aussi par le fait qu'ils pourraient un jour être utilisés comme supports de stockage informatique. En effet, alors que les données sont aujourd'hui écrites sur le disque dur d'un ordinateur à l'aide d'une tête magnétique déplacée mécaniquement, les disques durs multiferro?ques pourraient à l'avenir être écrits électriquement beaucoup plus rapidement.
Le chemin est toutefois encore long avant d'en arriver là. Actuellement, seules les propriétés physiques de base de cette classe de substances relativement nouvelle sont étudiées. De plus, aucune preuve expérimentale n'a jamais été apportée pour démontrer que l'ordre magnétique des multiferro?ques peut être modifié suffisamment rapidement pour concurrencer les disques durs actuels. "La modification la plus rapide mesurée à ce jour au moyen d'une tension électrique est de l'ordre du millième de seconde", explique Teresa Kubacka, doctorante dans le groupe du professeur de l'ETH Steven Johnson. A titre de comparaison, une tête magnétique permet déjà d'enregistrer des données un million de fois plus vite sur un disque dur.
Au sein d'une équipe internationale de chercheurs dirigée par des scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Institut Paul Scherrer (PSI), Kubacka a maintenant trouvé des preuves expérimentales que les moments magnétiques des multiferro?ques peuvent aussi réagir beaucoup plus rapidement à la tension électrique - en moins d'un billionième de seconde, c'est-à-dire mille fois plus vite qu'il n'est possible aujourd'hui d'écrire des données sur un disque dur.
Les moments magnétiques tournent facilement
Concrètement, les scientifiques ont étudié le matériau manganite de terbium, dont les propriétés multiferro?ques ont été découvertes il y a une dizaine d'années seulement et qui sert depuis lors de matériau modèle aux physiciens pour étudier ces propriétés. Lors de mesures effectuées à l'aide d'un laser à électrons libres à rayons X (voir encadré) à Stanford, en Californie, les chercheurs suisses ont montré que les moments magnétiques dans un cristal de plusieurs millimètres de cette substance changent de direction en l'espace de 200 femtosecondes après une certaine excitation électrique. "Bien que d'autres scientifiques aient déjà étudié les multiferro?ques auparavant, c'est la première fois que des moments magnétiques réagissent aussi rapidement à une modification du champ électrique dans une expérience", explique Kubacka.
Les moments magnétiques de la manganite de terbium n'ont certes pas complètement tourné de 180 degrés dans l'expérience, comme cela serait intéressant pour des applications potentielles, mais "seulement" de 4 degrés. Pour les champs électriques utilisés dans l'expérience pour exciter le matériau, cela correspond toutefois aux prédictions faites auparavant par un groupe de physiciens théoriques japonais. Les chercheurs de l'ETH et du PSI ont donc partiellement confirmé cette théorie lors de l'expérience. Celle-ci prédit également qu'avec des champs électriques suffisamment puissants, il est possible d'inverser complètement - de 180 degrés - la direction des moments magnétiques. Toutefois, aucun institut de recherche ne peut aujourd'hui générer des champs électriques aussi puissants, ce qui ne permet pas de vérifier cette prédiction pour l'instant. Selon Kubacka, ces résultats suscitent néanmoins de l'espoir. "Du point de vue actuel, il ne semble pas impossible que l'on puisse un jour inverser complètement les moments magnétiques de matériaux multiferro?ques de manière ultrarapide", dit-elle.
Refroidissement nécessaire
La chercheuse précise toutefois que des applications comme celles du stockage de données ne sont pratiquement jamais réalisées avec le matériau modèle qu'est le manganite de terbium. En effet, il ne montre ses propriétés multiferro?ques qu'à des températures inférieures à moins 246 degrés Celsius. Dans leurs expériences, les chercheurs ont pu refroidir le matériau à ces basses températures. Pour une application à grande échelle, les matériaux multiferro?ques qui présentent ces propriétés même à température ambiante devraient toutefois présenter des avantages. Au moins un matériau de ce type est déjà connu.
Visualiser des processus rapides en haute résolution
Un laser à électrons libres (FEL) est une source de rayonnement qui permet de produire des rayons X synchrotron ayant des propriétés laser. Comme les rayons X synchrotron ont une longueur d'onde très courte, ils permettent de visualiser des structures très fines de la taille d'un atome. Les rayons X synchrotron classiques ne peuvent toutefois être produits que par des impulsions relativement longues. La technique laser, en revanche, permet de générer des impulsions lumineuses extrêmement courtes, les lasers optiques ayant l'inconvénient de produire une lumière de grande longueur d'onde. Le FEL combine les avantages des rayons X synchrotron avec ceux des lasers. Il est ainsi possible de visualiser des processus ultra-rapides avec une résolution spatiale et temporelle élevée (dix milliardièmes de seconde).
Les FEL sont de grandes installations de recherche qui ne sont actuellement qu'au nombre de quatre dans le monde. Le plus grand d'entre eux se trouve à l'Université de Stanford aux Etats-Unis, où le travail de recherche dont il est question a été effectué. Celui qui est en cours de construction dans le domaine de l'environnement et de la géomatique. page externeSwissFEL à l'Institut Paul Scherrer de Würenlingen, en Argovie, devrait entrer en service en 2016 et permettre des mesures avec une résolution spatiale et temporelle similaire.
Référence bibliographique
Kubacka T et al : Large amplitude spin dynamics driven by a THz pulse in resonance with an electromagnon. Science, prépublication en ligne 6 mars 2014, doi : page externe10.1126/science.1242862