Un matériau magnétique sans terres rares avec des propriétés similaires aux aimants de terres rares que l’on trouve dans tout, des éoliennes aux disques durs d’ordinateur, a été découvert par des chercheurs américains utilisant une approche guidée par l’apprentissage automatique. Le matériau nécessite des développements supplémentaires, mais la démonstration constitue une étape importante sur la voie de la création d’aimants puissants qui ne dépendent pas des éléments de terres rares.

Les aimants permanents sont cruciaux pour la production d’électricité dans l’hydroélectricité, l’énergie éolienne et de nombreuses autres technologies d’énergie verte, ainsi que pour les technologies de l’information. Ces appareils ont besoin d’aimants puissants avec une coercivité élevée – un champ magnétique bien contraint. Leur fabrication nécessite un matériau magnétique à forte anisotropie magnétique – une mesure de la dépendance du moment magnétique à l’angle du réseau. «Jusqu’à présent, les aimants à forte anisotropie contenaient des terres rares», explique Cai-Zhuang Wang du laboratoire Ames du département américain de l’énergie à l’université d’État de l’Iowa. « Pourquoi est une question très fondamentale qui n’est pas encore entièrement comprise. » Quel que soit le mécanisme, la demande d’aimants permanents devrait augmenter à mesure que la société s’efforce de réduire les émissions en électrifiant les transports et l’industrie. Les aimants fabriqués à partir d’éléments bon marché tels que le fer seront donc très demandés.

Un matériau ne peut présenter une bonne anisotropie magnétique que s’il a une structure de réseau anisotrope, ce que font souvent les composés de terres rares. Les alliages fer-cobalt, cependant, ont tendance à être les plus stables dans les structures cubiques. Les chercheurs ont tenté de briser cette symétrie en ajoutant un troisième élément tel que l’azote pour occuper les positions interstitielles dans le réseau cubique. Cependant, ils ont souvent constaté que les structures sont insuffisamment stables et se décomposent à des températures élevées.

Wang et ses collègues du laboratoire Ames et d’ailleurs ont examiné des composés contenant du fer, du cobalt et du bore en utilisant une combinaison d’apprentissage automatique, de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et d’un « algorithme génétique adaptatif ». Ils ont commencé avec environ 400 structures qui, ont-ils calculé, auraient une énergie de formation négative. Ils ont ensuite formé un algorithme DFT en utilisant les données d’expériences précédentes avec des composés ternaires fer-cobalt pour prédire les aimantations maximales et les anisotropies magnétiques de diverses structures. Enfin, ils ont utilisé leur algorithme génétique adaptatif pour générer de nouvelles structures à partir des candidats les plus intéressants. « Le moyen le plus simple est de prendre deux structures et de les assembler comme deux parents », explique Cai-Zhuang.

Après chaque étape, l’algorithme d’apprentissage automatique a trouvé les états fondamentaux énergétiques de leurs nouvelles structures par DFT et a calculé les propriétés magnétiques de ces états fondamentaux, avant d’utiliser ces données pour améliorer ses prédictions ultérieures – en sélectionnant les candidats les plus prometteurs puis en combinant, optimisant et calculant les propriétés des nouvelles structures. « C’est une imitation du processus évolutif », explique Wang.

Les chercheurs sont ainsi arrivés rapidement aux composés les plus prometteurs sans analyser chaque combinaison des trois éléments. Les chercheurs ont synthétisé le candidat le plus prometteur et ont trouvé un bon accord avec leurs prédictions. « Je pense que c’est la première démonstration d’un aimant sans terre rare qui a une anisotropie élevée », déclare Wang, « mais le véritable aimant sera beaucoup plus compliqué qu’un monocristal, donc cela ouvre simplement la porte et il y a un beaucoup de travail à faire.

Ziyuan Rao de l’Institut Max Planck pour la recherche sur le fer à Düsseldorf est intrigué. «De nombreux petits pays d’Europe, par exemple, n’ont pas leur propre approvisionnement en éléments de terres rares, ce sujet est donc très important», dit-il, «mais c’est aussi très difficile, car les métaux de terres rares peuvent avoir une coercivité très élevée et aussi très forte aimantation. Je pense que c’est un article important.