Polarisation magnétoélectrique : Vue d'ensemble

Il s'agit d'un concept clé dans le domaine moderne de la science des matériaux, qui explique la capacité de certains matériaux à coupler les réponses électriques et magnétiques au sein d'une même structure. Cela signifie qu'un champ électrique appliqué affecte l'état magnétique du matériau et, inversement, que la polarisation électrique est affectée par un champ magnétique. Étant donné que dans la plupart des matériaux, l'électricité et le magnétisme sont considérés comme des propriétés indépendantes, la possibilité d'accorder l'une en utilisant l'autre ouvre de nombreuses perspectives pour les technologies émergentes, en particulier celles qui nécessitent un contrôle précis avec une très faible consommation d'énergie.

Au niveau microscopique, la polarisation magnétoélectrique trouve son origine dans les interactions entre les dipôles électriques et les moments magnétiques. Les interactions sont structurées et directionnelles, la force du couplage étant décrite par le tenseur magnétoélectrique. Ce tenseur saisit l'ampleur et la direction de la réponse d'un matériau et fournit ainsi aux scientifiques un moyen quantitatif de sélectionner des matériaux pour des applications liées au stockage de la mémoire, à la détection et aux dispositifs spintroniques.

Équation clé

L'une des expressions couramment utilisées pour décrire le comportement magnétoélectrique est la suivante :

P = χe ε0 E + α H

Dans cette équation :

- P est la polarisation électrique,

- χₑ est la susceptibilité électrique,

- ε₀ est la permittivité du vide,

- E représente le champ électrique appliqué.

- α est le coefficient de couplage magnétoélectrique,

- H est l'intensité du champ magnétique.

Le terme avec αH représente l'effet magnétoélectrique : le champ magnétique appliqué provoque en outre une polarisation électrique. Les matériaux ayant un α plus élevé présentent un couplage croisé plus fort et sont donc plus intéressants pour l'ingénierie des dispositifs avancés.

Histoire et développement de la recherche magnétoélectrique

Bien que le lien entre l'électricité et le magnétisme soit connu depuis le XIXe siècle, ce n'est qu'au milieu du XXe siècle que la recherche sur les matériaux présentant un effet magnétoélectrique linéaire direct a commencé. Landau et Lifshitz ont fourni la base théorique en 1959 pour indiquer que certaines symétries des cristaux permettraient un couplage croisé entre les champs électriques et magnétiques. Enfin, une confirmation expérimentale en 1960 par Dzyaloshinskii, qui avait prédit l'effet dans le Cr₂O₃, a été observée expérimentalement peu de temps après par Rado et Folen.

Cette percée a donné lieu à une activité intense dans la recherche de nouvelles réponses magnétoélectriques, plus puissantes et plus accordables. Tout au long des années 1980 et 1990, la recherche est allée au-delà des simples oxydes antiferromagnétiques pour inclure des études sur des pérovskites complexes, des manganites de terres rares et des composites en couches. C'est au début des années 2000 que l'on a redécouvert les matériaux multiferroïques, tels que le BiFeO₃, qui présentent un ordre magnétique et ferroélectrique colinéaire. Ces matériaux multiferroïques ont considérablement élargi les possibilités d'applications à température ambiante.

Les dispositifs à haut rendement énergétique, l'informatique neuromorphique, les actionneurs à l'échelle nanométrique et les nouvelles architectures spintroniques sont aujourd'hui les principaux moteurs de la recherche magnétoélectrique. Les percées récentes concernent les matériaux topologiques, les hétérostructures artificielles et les films minces fabriqués par déformation qui présentent un comportement magnétoélectrique encore plus exotique. Ce qui n'était au départ qu'une curiosité théorique est devenu un sujet central de la physique de la matière condensée et de l'électronique de nouvelle génération.

Magnétoélectrique vs. électromagnétique : La différence

L'effet magnétoélectrique a souvent été confondu avec les phénomènes électromagnétiques généraux, mais les deux se distinguent nettement de manière significative. L'électromagnétisme décrit comment les champs électriques et magnétiques s'influencent mutuellement dans l'espace, comme l'indiquent les équations de Maxwell. Le couplage entre les champs électriques et magnétiques changeants est universel et se produit dans tous les milieux, y compris l'espace vide.

Si le comportement magnétoélectrique est une propriété des matériaux, cette magnétoélectricité ne se produit que dans les solides où les ordres électrique et magnétique coexistent ou interagissent par l'intermédiaire du réseau cristallin. Dans ce cas, le couplage est la conséquence non pas d'une loi de la nature, mais d'une rupture de symétrie, d'interactions spin-orbite ou de distorsions du réseau. En d'autres termes, tous les matériaux obéissent aux lois de l'électromagnétisme, mais seuls quelques-uns possèdent un couplage magnétoélectrique intrinsèque.

Il s'agit là d'une différence essentielle qui entre en jeu dans les applications. Même si les ondes électromagnétiques créent des champs dans l'air ou le vide, la polarisation magnétoélectrique permet aux ingénieurs de manipuler les propriétés des matériaux : par exemple, en commutant l'aimantation avec une tension au lieu d'un courant. Le magnétisme contrôlé par tension réduit considérablement la consommation d'énergie, ce qui est l'une des principales raisons de l'intégration des matériaux magnétoélectriques dans les mémoires et les dispositifs logiques à faible consommation d'énergie.

Exemples de matériaux magnétoélectriques

Plusieurs matériaux étudiés en détail présentent une forte polarisation magnétoélectrique :

• Cr₂O₃ (oxyde de chrome) - Le matériau magnétoélectrique original, stable et antiferromagnétique.
• BiFeO₃ est un multiferroïque à température ambiante avec un ordre ferroélectrique et antiferromagnétique coexistant.
• TbMnO3 est un terbium manganite qui présente des structures magnétiques complexes, donnant lieu à des interactions magnétoélectriques accordables.

Pour en savoir plus sur les matériaux magnétoélectriques, visitez le site Stanford Advanced Materials at SAM.

Applications de la polarisation magnétoélectrique

La valeur des matériaux magnétoélectriques découle de la grande variété de technologies rendues possibles par le couplage direct entre les réponses électriques et magnétiques. La détection et l'actionnement reposent sur un contrôle extrêmement sensible de l'état magnétique par le biais de champs électriques pour détecter des champs ou des mouvements mécaniques. La mémoire non volatile utilise l'écriture magnétoélectrique comme substitut au stockage par champs magnétiques, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie tout en conservant une information constante. Les matériaux magnétoélectriques utilisés en spintronique permettent essentiellement de manipuler le transport des spins avec une tension au lieu d'un courant, ce qui contribue à améliorer l'efficacité et à réduire la dissipation de chaleur.

Avec la réduction des architectures de dispositifs et l'augmentation des exigences en matière d'efficacité, les matériaux à fort couplage magnétoélectrique sont devenus des parties intégrantes des systèmes électroniques de la prochaine génération.

Questions fréquemment posées

Qu'est-ce que la polarisation magnétoélectrique ?

C'est la propriété de certains matériaux qui permet aux champs électriques d'induire une polarisation magnétique et aux champs magnétiques d'induire une polarisation électrique.

Pourquoi la polarisation magnétoélectrique est-elle importante ?

Les applications impliquent un contrôle de l'état magnétique à faible énergie, ce qui est essentiel dans les capteurs, les dispositifs de mémoire et les technologies spintroniques.

Tous les matériaux présentent-ils un comportement magnétoélectrique ?

Non, seuls les matériaux magnétoélectriques ou multiferroïques qui présentent une symétrie cristalline et un ordonnancement appropriés peuvent présenter cet effet.

Comment mesure-t-on la polarisation magnétoélectrique ?

Les chercheurs appliquent des champs électriques et magnétiques contrôlés et mesurent la polarisation ou l'aimantation induite.

Quels sont les problèmes liés aux applications pratiques ?

Les principaux défis consistent à trouver des matériaux présentant un couplage magnétoélectrique fort à température ambiante et à intégrer ces matériaux dans les architectures de dispositifs existantes.