Les technologies de nouvelle génération, telles que les solutions de stockage de mémoire de pointe et les systèmes informatiques neuromorphiques inspirés du cerveau, pourraient toucher presque tous les aspects de notre vie, depuis les gadgets que nous utilisons quotidiennement jusqu’aux solutions aux grands défis mondiaux. Ces avancées reposent sur des matériaux spécialisés, notamment les ferroélectriques, des matériaux dotés de propriétés électriques commutables qui améliorent les performances et l’efficacité énergétique.
Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie a développé une nouvelle technique permettant de créer des arrangements atomiques précis dans les ferroélectriques, établissant ainsi un cadre solide pour faire progresser de nouvelles technologies puissantes. Le papier est publié dans la revue Nature Nanotechnologie.
« La modification locale des atomes et des dipôles électriques qui forment ces matériaux est cruciale pour le nouveau stockage d’informations, les méthodologies de calcul alternatives ou les dispositifs convertissant les signaux à hautes fréquences », a déclaré Marti Checa de l’ORNL, chercheur principal du projet. « Notre approche favorise les innovations en facilitant le réarrangement à la demande des orientations atomiques dans des configurations spécifiques connues sous le nom de structures de polarisation topologique qui pourraient ne pas se produire naturellement. »
Dans ce contexte, la polarisation fait référence à l’orientation de petits champs électriques permanents internes dans le matériau, appelés dipôles ferroélectriques.
Pour créer des structures complexes pouvant être activées selon les besoins, la technique de l’équipe utilise un stylet électrique qui fonctionne comme un crayon ultrafin. Le stylet peut modifier sans effort les dipôles électriques des ferroélectriques en les orientant dans des directions sélectionnées, un peu comme la façon dont les enfants créent des images sur des planches à dessin magnétiques.
Tout comme l’aménagement d’une ville façonne la façon dont les gens s’y déplacent, les structures topologiques conçues confèrent des propriétés distinctives aux matériaux. Le stylet présente des opportunités passionnantes pour créer des matériaux dotés de caractéristiques sur mesure, idéales pour la nanoélectronique de faible consommation et les communications haut débit à haut débit essentielles à l’ère 6G.
La transition de la norme 5G à la sixième génération de technologie de communication mobile impliquera des avancées et des transformations significatives dans la conception et l’utilisation des réseaux de communication. Les technologies du haut débit et de l’informatique sont étroitement liées, chacune améliorant les performances de l’autre. Les matériaux innovants joueront donc un rôle crucial dans l’élargissement des possibilités informatiques.
Progrès nanoélectroniques à venir
Les ordinateurs classiques d’aujourd’hui communiquent dans un langage simple composé de « oui » et de « non », représentés par des uns et des zéros. Ce système binaire repose sur le flux d’électricité à travers de minuscules circuits. Cependant, ce cadre à double choix est limitant et gourmand en énergie en raison des exigences d’écriture et de lecture des données.
En revanche, les structures de polarisation topologique peuvent modifier rapidement et efficacement leurs états de polarisation, offrant ainsi une grande stabilité avec une faible consommation d’énergie pour la commutation. Ce changement rapide de polarisation accroît la valeur des ferroélectriques, améliorant ainsi la vitesse, l’efficacité et la polyvalence de divers appareils. De plus, ils permettent la conservation des données sans alimentation, ouvrant la voie au développement de systèmes informatiques haute densité et économes en énergie.
Les scientifiques étudient des matériaux capables de traiter les informations plus rapidement, comme l’exigent les communications haut débit de l’ère 6G. Ces structures peuvent également être exploitées dans des dispositifs fonctionnant à hautes fréquences, grâce aux résonances intrinsèques sub-térahertz, qui sont des oscillations ou des vibrations naturelles au sein d’un matériau ou d’un système qui se produisent à des fréquences inférieures à un térahertz, soit un billion de hertz.
De tels progrès pourraient améliorer considérablement la puissance de traitement et l’efficacité des futurs systèmes informatiques, leur permettant ainsi de résoudre des problèmes plus complexes et d’effectuer des tâches avec une plus grande adaptabilité et rapidité – des capacités que les ordinateurs classiques ont du mal à atteindre.
Enfin, ces structures permettent un contrôle précis des propriétés électroniques et optiques et pourraient ainsi être utilisées pour des dispositifs optoélectroniques accordables. Une combinaison de propriétés électriques, mécaniques et thermiques uniques rend les ferroélectriques parfaitement adaptés à l’informatique neuromorphique et à d’autres nouvelles technologies.
Changements de polarisation rapides, dynamique des superdomaines
La recherche dirigée par l’ORNL a dévoilé comment un matériau céramique ferroélectrique avancé, communément appelé PSTO, change sa polarisation au cours d’un processus en plusieurs étapes, guidé par le stylet électrique. Le PSTO, ou titanate de plomb et de strontium, est essentiellement composé de plomb, de strontium, de titane et d’oxygène.
Un concept appelé champ de fuite est couramment utilisé pour expliquer pourquoi les ferroélectriques réorientent leurs minuscules dipôles électriques (petites charges positives et négatives) dans le plan du matériau en réponse à un champ électrique se déplaçant le long de la surface.
Cependant, l’équipe de recherche a proposé comme alternative l’existence d’un état intermédiaire hors plan pour décrire la phase qui se produit lorsque le matériau passe d’un état de polarisation à un autre. Cette phase est un bref changement de direction de polarisation qui se produit lorsque la partie verticale d’un champ électrique oriente momentanément les dipôles électriques hors du plan de la surface lorsque la polarisation change dans une fine couche de matériau ferroélectrique.
Les connaissances des scientifiques sur l’état intermédiaire hors du plan ont permis la manipulation précise et à la demande des structures de superdomaines. Les structures de superdomaines sont des modèles à grande échelle de minuscules régions au sein de matériaux ferroélectriques tels que le PSTO, chacune avec un alignement différent de dipôles électriques. Les structures de superdomaines sont importantes car elles affectent les performances des matériaux dans diverses applications en influençant leur comportement et leurs propriétés globales.
Cette étude a également démontré la capacité d’examiner l’équilibre délicat entre l’énergie élastique et électrostatique. Les ferroélectriques ont des interactions énergétiques à la fois mécaniques (élastiques) et électriques (électrostatiques), qui s’influencent mutuellement. Par exemple, changer la forme d’un ferroélectrique peut affecter ses propriétés électriques, et vice versa. L’étude de cet équilibre aide les chercheurs à comprendre comment contrôler plus précisément le comportement du matériau.
De plus, les chercheurs ont exploré l’accommodation des frontières frustrées, c’est-à-dire des zones où différentes régions ayant des propriétés électriques différentes se rencontrent dans le matériau. Ces limites ne peuvent pas être facilement alignées ou ajustées pour minimiser la dépense énergétique en raison de forces ou de contraintes contradictoires et se produisent donc rarement dans la nature. Cependant, la création à la demande de nouvelles structures de polarisation topologique permet aux chercheurs de stabiliser ces superfrontières frustrées et d’étudier leurs propriétés singulières.
Prédiction, contrôle avec une précision à l’échelle nanométrique
En intégrant des données structurelles et fonctionnelles sur le matériau ferroélectrique recueillies grâce à des techniques de microscopie corrélative, les chercheurs ont créé des modèles de champ de phase détaillés qui prédisent le comportement du matériau dans diverses conditions. Cette capacité facilite la compréhension et l’optimisation de la stabilité et de la polarisation du matériau.
« Notre projet a développé des méthodes avancées pour modéliser avec précision les matériaux à l’échelle nanométrique », a déclaré Checa.
« En combinant des mouvements de pointe de stylet électrique spécialement conçus avec des configurations expérimentales automatisées, nous avons démontré notre capacité à explorer des états nouveaux et complexes de matériaux ferroélectriques qui n’étaient pas accessibles auparavant. Un aspect clé de cette réalisation est qu’elle permet une meilleure compréhension et le contrôle des propriétés uniques de ces matériaux.
Plus d’informations :
Marti Checa et al, Nano-ingénierie à la demande de topologies ferroélectriques dans le plan, Nature Nanotechnologie (2024). DOI : 10.1038/s41565-024-01792-1