Des chercheurs valident une théorie ferroélectrique vieille de 80 ans

Les chercheurs ont démontré avec succès l'existence de particules hypothétiques proposées par Franz Preisach en 1935. Dans un article publié dans Nature Communications, des scientifiques des universités de Linköping et d'Eindhoven montrent pourquoi les matériaux ferroélectriques agissent comme ils le font.

La ferroélectricité est le jumeau le moins connu du ferromagnétisme. Le fer, le cobalt et le nickel sont des exemples de matériaux ferromagnétiques courants. Les électrons dans de tels matériaux fonctionnent comme de petits aimants, des dipôles, avec un pôle nord et un pôle sud. Dans un ferroélectrique, les dipôles sont électriques plutôt que magnétiques et ont un pôle positif et négatif.

En l'absence d'un champ magnétique appliqué (pour un ferromagnétique) ou électrique (pour un ferroélectrique), l'orientation des dipôles est aléatoire. Lorsqu'un champ suffisamment puissant est appliqué, les dipôles s'alignent sur celui-ci. Ce champ est appelé champ critique (ou coercitif). De manière surprenante, dans un matériau ferroïque, l'alignement demeure lorsque le champ est supprimé et le matériau est polarisé en permanence. Pour changer la direction de la polarisation, un champ au moins aussi fort que le champ critique doit être appliqué dans la direction opposée. Cet effet est appelé hystérésis. Le comportement du matériau dépend de ce qui lui est arrivé auparavant. Grâce à l'hystérésis, ces matériaux conviennent parfaitement comme mémoire réinscriptible, par exemple dans les disques durs.

Dans un matériau ferroélectrique idéal, la totalité de la pièce modifie sa polarisation lorsque le champ critique est atteint et le fait avec une vitesse bien définie. Dans les matériaux ferroélectriques réels, différentes parties du matériau commutent la polarisation à différents champs critiques et à différentes vitesses. Comprendre cette non-idéalité est la clé de l'application dans la mémoire de l'ordinateur.

Le chercheur allemand Franz Preisach a mis au point un modèle de ferroélectricité et de ferromagnétisme dès 1935. Le modèle purement mathématique de Preisach décrit les matériaux ferroïques comme une vaste collection de petits modules indépendants appelés hystérons. Chaque hysteron présente un comportement ferroïque idéal, mais possède son propre champ critique qui peut différer d'un hysteron à l'autre. Il a été généralement admis que le modèle donne une description précise des matériaux réels, mais les scientifiques n’ont pas compris la physique sur laquelle le modèle est construit. Quels sont les hysterons? Pourquoi leurs champs critiques diffèrent-ils comme ils le font? En d'autres termes, pourquoi les matériaux ferroélectriques agissent-ils comme ils le font?

Le groupe de recherche du professeur Martijn Kemerink (Matériaux et dispositifs complexes à LiU), en collaboration avec des chercheurs de l'Université d'Eindhoven, a étudié deux systèmes de modèles ferroélectriques organiques et en a trouvé l'explication. Les molécules dans les matériaux ferroélectriques organiques étudiés aiment se superposer, formant des empilements cylindriques d’environ un nanomètre de large et de plusieurs nanomètres de long.

"Nous pourrions prouver que ces piles sont en réalité les hysterons recherchés. Le truc, c’est qu’elles ont des tailles différentes et qu’elles interagissent fortement les unes avec les autres étant donné qu’elles sont si serrées. En plus de sa taille unique, chaque pile ressent donc un environnement différent d’autres piles, ce qui explique la distribution de Preisach ", déclare Martijn Kemerink.

Les chercheurs ont montré que la commutation non idéale d'un matériau ferroélectrique dépend de sa nanostructure, notamment du nombre de piles en interaction et de la manière dont elles le font.

"Nous devions développer de nouvelles méthodes pour mesurer le changement d'hystérés individuels afin de tester nos idées. Maintenant que nous avons montré comment les molécules interagissent à l'échelle nanométrique, nous pouvons prédire la forme de la courbe d'hystérésis. Cela explique également pourquoi nous avons montré comment se produit la distribution de l'hysteron dans deux matériaux ferroélectriques organiques spécifiques, mais il est fort probable qu'il s'agisse d'un phénomène général. Je suis extrêmement fier de mes doctorants, Indre Urbanaviciute et Tim Cornelissen, qui ont réussi à atteindre cet objectif ", a déclaré Martijn Kemerink.

Les résultats peuvent guider la conception de matériaux pour de nouvelles mémoires dites multibits et constituent un pas supplémentaire dans la voie des mémoires petites et flexibles du futur.

Explorer plus loin:
Matériaux moléculaires auto-assemblés ferroélectriques

Plus d'information:
Indrė Urbanavičiūtė et al, Réalité physique du modèle de Preisach pour les ferroélectriques organiques, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038 / s41467-018-06717-w