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Quand la structure renseigne sur les propriétés multiferroiques : vers des disques durs à basse consommation


Nous nous intéressons à des composés multiferroiques qui présentent des propriétés magnétiques et électriques couplées. Ils peuvent avoir un intérêt technologique, permettant le stockage de données magnétiques MRAM par un champ électrique à bas coût énergétique. Ces applications sont envisageables uniquement si les propriétés multiferroiques existent à température ambiante. Grâce à l’étude très fine de la structure – la disposition des atomes à l’échelle microscopique – à 300 K d’une famille d’oxydes multiferroiques RMn2O5, nous avons pu démontrer l’absence de centre de symétrie. La conséquence directe est l’existence d’une polarisation électrique dès la température ambiante…

Les multiferroiques sont des matériaux qui couplent les propriétés magnétiques aux propriétés électriques : on parle de couplage magnéto-électrique. De cette propriété fondamentale découle un intérêt technologique : il devient par exemple possible de manipuler un état magnétique tel que les bits stockés sur un disque dur à l’aide d’un champ électrique. L’utilisation d’un champ électrique et non plus magnétique permet d’augmenter considérablement la vitesse d’écriture tout en réduisant la consommation d’énergie. Nos recherches se sont donc focalisées sur les composés présentant un fort couplage magnéto-électrique afin d’en comprendre l’origine. La famille des manganites de formule RMn2O5 (R étant une terre rare) présente cette propriété à basse température. Jusqu’alors, on pensait que la force du couplage était liée au fait que la ferroélectricité était induite par l’ordre magnétique, les deux apparaissant à la même température.


Figure : Reconstruction de l’espace réciproque obtenu à partir d’une expérience de diffraction de rayons X sur monocristal de DyMn2O5. La reconstruction montre des raies de plus petite intensité pour les valeurs de K impaires. Elles sont interdites dans la structure proposée initialement et traduise une structure différente dont la symétrie est compatible cette fois avec la ferroélectricité.

Notre étude systématique sur plusieurs membres de cette famille (pour différentes terres rares) a montré qu’en réalité la polarisation électrique était non nulle à température ambiante. En effet, nos mesures de diffraction de rayons X effectuées au Laboratoire de Physique des Solides ainsi qu’au synchrotron SOLEIL ont permis de mettre en évidence des réflexions de Bragg interdites dans la structure proposée initialement. Ces mesures ont également permis de montrer que la structure cristalline de ces composés ne possédait pas de centre d’inversion à température ambiante. La ferroélectricité induite par le magnétisme n’est donc pas la raison de ce fort couplage magnétoélectrique. Cela remet en cause les modèles théoriques actuels au profit de mécanismes microscopiques où l’ordre magnétique viendrait simplement augmenter la polarisation électrique préexistante.

Contact : Victor Balédent

Référence :
V. Balédent, S. Chattopadhyay, P. Fertey, M. B. Lepetit, M. Greenblatt, B. Wanklyn, F. O. Saouma, J. I. Jang, and P. Foury-Leylekian
Evidence for Room Temperature Electric Polarization in RMn2O5 Multiferroics
Phys. Rev. Lett 114, 117601 (2015).