Dans la course à la miniaturisation des mémoires numériques, les composés multiferroïques suscitent un intérêt particulier. Leurs propriétés électriques et magnétiques peu communes pourraient, si l'on parvenait à les dompter, conduire à un nouveau type de disque dur avec des mémoires à quatre états et non plus seulement deux (le codage binaire actuel des bits). Des chercheurs du Laboratoire de physique des solides (CNRS/Université Paris Sud-Orsay), du CEA de Saclay et de l'Institut Néel (CNRS), à Grenoble, ont franchi une étape dans l'étude de ces composés en contrôlant localement ces propriétés électriques et magnétiques.
Les composés multiferroïques sont des matériaux qui présentent à la fois un ordre électrique et un ordre magnétique. D'une part, ils sont ferroélectriques, c'est-à-dire polarisés électriquement. D'autre part, ils sont antiferromagnétiques pour la plupart : ces composés contiennent des atomes magnétiques, mais les moments magnétiques de ces atomes – vecteurs qui traduisent leurs propriétés magnétiques – se « compensent », de sorte que l'aimantation est nulle. Par ailleurs, ces deux ordres électrique et magnétique sont couplés : la polarisation électrique influence l'ordre antiferromagnétique, et réciproquement.
Ce couplage est la propriété qui intéresse les chercheurs : il « suffit » d'appliquer un champ électrique pour changer la polarisation électrique et, par conséquent, l'organisation des moments magnétiques. Aujourd'hui, dans un disque dur, chaque bit est codé en appliquant un champ magnétique à un composé ferromagnétique. Le champ oriente localement l'aimantation du composé, laquelle peut prendre deux directions privilégiées, qui correspondent aux deux valeurs 0 ou 1 du bit. Remplacer ces composés magnétiques par des composés multiferroïques permettrait de commander l'aimantation à l'aide d'un champ électrique, moins coûteux en énergie qu'un champ magnétique – un aspect non négligeable pour l'électronique nomade, par exemple. En outre, un codage sur quatre états pourrait être envisagé (deux états liés à l'orientation de l'aimantation du composé, mais aussi deux états liés à celle de sa polarisation électrique), permettant de stocker plus d'information.
Ce scénario comporte cependant une difficulté de taille : l'aimantation des composés multiferroïques imposée par le couplage magnéto-électrique est… très souvent nulle. C'est là que les chercheurs français interviennent : en déposant sur un cristal multiferroïque une fine couche d'un composé ferromagnétique, ils ont montré que le composé ferromagnétique acquiert une direction privilégiée d'aimantation qui dépend de l'organisation des moments magnétiques du cristal. En d'autres termes, ils ont substitué l'aimantation d'une couche supplémentaire à l'aimantation qui faisait défaut dans le composé multiferroïque.
En outre, ils ont observé qu'en plaçant le matériau composite dans un champ électrique, ils font bien tourner l'orientation privilégiée de l'aimantation de la couche ferromagnétique : le champ électrique modifie la polarisation électrique du cristal, et donc son ordre antiferromagnétique via le couplage magnéto-électrique ; celui-ci « se propage » dans la couche ferromagnétique et influence ses propriétés magnétiques.
Pour l'heure, le contrôle de l'aimantation du ferromagnétique à l'aide du champ électrique n'est pas total, car on ne sait pas imposer l'orientation de l'aimantation via le champ électrique. Les chercheurs tentent de pallier ce problème en travaillant aussi avec des couches minces du même composé multiferroïque. De structure antiferromagnétique plus simple, ces couches pourraient constituer une première étape vers la miniaturisation. Il reste cependant à déterminer les bonnes conditions pour que l'influence du couplage magnéto-électrique sur la couche ferromagnétique persiste dans ces structures de petite taille en présence d'un champ électrique. Il s'agit donc de trouver le juste compromis entre ces deux géométries…
