Navid Qureshi a, A. Painganoor a,b, M.C. Larsen b, M. Ravn-Feld b, K. Beauvois c, J. A. Rodríguez-Velamazán a, D. Vaknin d, P. Steffens a, R. Toft-Petersen b,e and N. B. Christensen b
a Institut Laue-Langevin, Grenoble, France
b Department of Physics, Technical University of Denmark, Fysikvej, Lyngby, Denmark
c IRIG, MEM, MDN, Université Grenoble Alpes, CEA, Grenoble, France
d Ames National Laboratory and Department of Physics and Astronomy, Iowa State University, Ames, IA, USA
e European Spallation Source ERIC, Lund, Sweden
Toroidicity as a route towards non-volatile quaternary memory in antiferromagnets.
Nature Communications 17, 4033 (2026).
https://doi.org/10.1038/s41467-026-70767-8
La miniaturisation des composants électroniques approche aujourd’hui ses limites physiques, motivant la recherche de nouvelles architectures de mémoire plus rapides, plus économes en énergie et capables de stocker davantage d’informations [1]. Les matériaux magnéto-électriques, capables de coupler propriétés magnétiques et électriques, ouvrent des perspectives prometteuses pour dépasser les technologies binaires actuelles fondées sur le codage « 0 » et « 1 » [2].
Des chercheurs de l’Institut Laue-Langevin, du CEA et de partenaires internationaux ont démontré qu’un antiferromagnétique toroïdique, LiNi0.8Fe0.2PO4, peut stabiliser quatre états magnétiques distincts et non volatils. En utilisant la polarimétrie sphérique des neutrons (SNP), une technique particulièrement sensible à la structure microscopique des domaines magnétiques, ils ont montré qu’il est possible de sélectionner individuellement chacun de ces quatre états grâce à l’application combinée de champs électrique et magnétique perpendiculaires (voir Figure). Les quatre états observés sont non volatils, puisqu’ils subsistent après suppression des champs appliqués. Les auteurs montrent enfin que le mécanisme de sélection des quatre domaines trouve son origine dans l’existence d’une interaction Dzyaloshinskii-Moriya non nulle.
Cette démonstration constitue une preuve de concept d’une mémoire quaternaire dans un matériau antiferromagnétique massif, ne présentant ni ferromagnétisme ni ferroélectricité, et donc non sensible aux champs parasites. En exploitant la toroïdicité comme degré de liberté pour le contrôle de l’information magnétique, elle ouvre la voie à des dispositifs spintroniques robustes, à haute densité de stockage et à faible consommation énergétique.
[1] Keyes, R. W. Physical limits of silicon transistors and circuits. Rep. Prog. Phys. 68, 2701-2746 (2005).
[2] Bibes, M. & Barthélémy, A. Towards a magnetoelectric memory. Nat. Mater. 7, 425-426 (2008).
Figure : Détection de quatre états magnétiques par polarimétrie sphérique de neutrons.
À gauche : (a) Schéma simplifié de l’expérience SNP : la diffusion des neutrons polarisés par différents domaines magnétiques d’un monocristal entraîne des orientations finales de spin distinctes, permettant d’identifier les quatre états magnétiques et d’illustrer le principe d’une mémoire quaternaire à haute densité d’information. (b) Schéma du dispositif expérimental : l’échantillon a été refroidi ex-situ dans un champ électrique et magnétique.
À droite : Domaines magnétiques dans LiNi0.8Fe0.2PO4 : la phase à 22 K (c) présente deux domaines ferrotoroïdiques reliés par inversion temporelle, tandis que la phase à 2 K (d) comporte quatre domaines magnétiques distincts ; chacun est caractérisé par une orientation spécifique de la toroïdisation et du vecteur d’interaction magnétique, conduisant à des signatures différentes grâce à la SNP.
