Découverte d’un nouveau type d’effet magnétoélectrique

Même de petits changements dans la direction du champ magnétique peuvent modifier les propriétés électriques d’un matériau paramagnétique à base de terres rares – la langasite dopée à l’holmium (Ho_xLa_3-xGa₅SiO₁₄) – à un état complètement différent, selon une nouvelle recherche publiée dans le journal npj Quantum Materials.

Structure cristalline et magnétisme dans la langasite de terre rare : (a) le réseau de Kagome déformé des ions de terre rare dans la langasite de R₃Ga₅SiO₁₄; environ 1,5 % des sites de terres rares (orange) sont occupés par les ions holmium ; la cellule unitaire est représentée par de fines lignes pleines ; (b) courbes de magnétisation expérimentale et théorique de Ho_xLa_3-xGa₅SiO₁₄ (x = 0,043) dans des champs magnétiques externes parallèles à trois axes cristallographiques et à T = 5 K. Symboles – expérience, lignes pleines – modèle tenant compte d’une masse Ho³⁺ et une contribution de Van-Vleck des états excités du champ cristallin. L’encart montre les moments magnétiques locaux des ions Ho- dans le régime de saturation. Crédit image : Weymann et al, doi : 10.1038/s41535-020-00263-9.

“Le fait que les propriétés électriques et magnétiques d’un cristal soient couplées ou non dépend de la symétrie interne du cristal “, a déclaré le co-auteur principal, le professeur Andrei Pimenov, chercheur à l’Institut de physique des solides de la TU Wien.

“Si le cristal présente un degré élevé de symétrie, par exemple, si un côté du cristal est exactement l’image miroir de l’autre côté, alors, pour des raisons théoriques, il ne peut y avoir d’effet magnétoélectrique.”

“La structure cristalline de la langasite dopée à l’holmium est si symétrique qu’elle ne devrait en fait permettre aucun effet magnétoélectrique”, a-t-il ajouté.

“Et dans le cas de champs magnétiques faibles, il n’y a en effet aucun couplage quel qu’il soit avec les propriétés électriques du cristal.”

“Mais si nous augmentons la force du champ magnétique, quelque chose de remarquable se produit : les atomes d’holmium changent leur état quantique et acquièrent un moment magnétique. Cela brise la symétrie interne du cristal.”

D’un point de vue purement géométrique, le cristal est toujours symétrique, mais le magnétisme des atomes doit également être pris en compte, et c’est ce qui brise la symétrie. Par conséquent, la polarisation électrique du cristal peut être modifiée par un champ magnétique.

“La polarisation se produit lorsque les charges positives et négatives du cristal sont légèrement déplacées l’une par rapport à l’autre”, a déclaré le professeur Pimenov.

“Cela serait facile à réaliser avec un champ électrique – mais en raison de l’effet magnétoélectrique, cela est également possible en utilisant un champ magnétique.”

Plus le champ magnétique est fort, plus son effet sur la polarisation électrique est important.

“La relation entre la polarisation et l’intensité du champ magnétique est approximativement linéaire, ce qui n’a rien d’inhabituel”, a déclaré le physicien.

“Ce qui est remarquable, cependant, c’est que la relation entre la polarisation et la direction du champ magnétique est fortement non linéaire.”

“Si vous changez un peu la direction du champ magnétique, la polarisation peut complètement basculer”.

“C’est une nouvelle forme de l’effet magnétoélectrique, qui n’était pas connue auparavant.”

Ainsi, une petite rotation peut décider si le champ magnétique peut changer la polarisation électrique du cristal ou non.

“L’effet magnétoélectrique jouera un rôle de plus en plus important pour diverses applications technologiques”, a déclaré le professeur Pimenov.

“Dans une prochaine étape, nous essaierons de changer les propriétés magnétiques avec un champ électrique au lieu de changer les propriétés électriques…”.avec un champ magnétique. En principe, cela devrait être possible exactement de la même manière.”

“Si cela réussit, ce serait un nouveau moyen prometteur de stocker des données dans les solides. Dans les mémoires magnétiques telles que les disques durs des ordinateurs, les champs magnétiques sont aujourd’hui nécessaires.”

“Ils sont générés par des bobines magnétiques, ce qui nécessite une quantité relativement importante d’énergie et de temps.”

“S’il y avait un moyen direct de commuter les propriétés magnétiques d’une mémoire à l’état solide avec un champ électrique, ce serait une percée.”