Une équipe de recherche de l'Université des sciences de Tokyo a réalisé des progrès significatifs dans le domaine des nouveaux matériaux multiferroïques, susceptibles de favoriser le développement de dispositifs de stockage de nouvelle génération à faible consommation d'énergie. Les matériaux multiferroïques combinent la capacité de stockage de charge d'un condensateur avec les propriétés d'un aimant, et la bismuth ferrite est l'un des matériaux les plus étudiés. Lorsqu'une tension externe est appliquée, la direction de sa polarisation électrique peut s'inverser et influencer le magnétisme. Ce couplage unique en fait un candidat idéal pour les matériaux de stockage à faible consommation. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans le Journal of the American Chemical Society.
La bismuth ferrite traditionnelle présente un défi : les micro-aimants formés par les ions fer à l'intérieur tournent selon un motif ondulatoire, ce qui entraîne une annulation mutuelle des moments magnétiques, rendant difficile l'observation de l'aimantation globale depuis l'extérieur. Des études antérieures ont montré que le remplacement partiel du fer par du cobalt peut générer un faible magnétisme à température ambiante, mais celui-ci reste faible et sensible aux perturbations. Pour surmonter ces limitations, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Masaki Azuma a réexaminé la stratégie de substitution d'éléments. Guidée par des résultats expérimentaux et des prédictions théoriques, l'équipe a choisi de remplacer une partie du fer par des éléments plus lourds comme le ruthénium et l'iridium, tout en substituant une partie des ions bismuth par des ions calcium pour maintenir l'équilibre des charges.
Grâce à cette conception minutieuse, les micro-aimants à l'intérieur du matériau présentent un état magnétique clair, détectable de l'extérieur. La stabilité magnétique des matériaux contenant du ruthénium ou de l'iridium est environ quatre fois supérieure à celle des matériaux à substitution de cobalt développés précédemment. Cette stabilité est cruciale pour les dispositifs de stockage de nouvelle génération qui doivent conserver les informations de manière fiable sur de longues périodes. Les chercheurs ont également découvert une propriété inattendue : ce matériau se contracte légèrement lors du chauffage, un phénomène appelé dilatation thermique négative, ce qui le distingue des matériaux traditionnels. Cette propriété pourrait jouer un rôle important dans les instruments de précision, en supprimant les contraintes et la dégradation des performances induites par les variations de température.
Le professeur Masaki Azuma a déclaré que les performances du matériau changent considérablement en fonction de la manière dont les éléments constitutifs sont remplacés, soulignant qu'une conception minutieuse des combinaisons d'éléments basée sur des prédictions est aussi importante que la reconnaissance de résultats inattendus. Ces découvertes ouvrent de nouvelles possibilités pour les dispositifs de stockage utilisant la tension pour écrire et le champ magnétique pour lire les informations, promettant des dispositifs à faible consommation et haute efficacité. L'équipe de recherche s'était auparavant consacrée au développement et à la commercialisation de matériaux à dilatation thermique négative, et espère que ce nouveau matériau conçu pourra également trouver des applications pratiques à l'avenir.
Détails de la publication : Auteurs : Kano Hatayama et al., Titre : « Réalisation d'un ferromagnétisme faible à spins inclinés et d'une dilatation thermique négative dans la bismuth ferrite par substitution sur les sites A et B », publié dans : Journal of the American Chemical Society (2025). Informations sur la revue : Journal of the American Chemical Society
