Une double chiralité révélée par les rayons X de SOLEIL

Publié par Redbran le 30/03/2020 à 14:00
Source: CNRS INP

© T. Chirac, SPEC (CEA/CNRS)
Dans une même expérience et pour un même matériau, des physiciennes et des physiciens ont pour la première fois mesuré la chiralité de l'organisation magnétique des atomes se superposant à la chiralité (La chiralité (du grec ch[e]ir~ - main~) est une importante propriété d'asymétrie dans diverses branches de la science. Un objet ou un système est...) de leur organisation (Une organisation est) électrique. Ces avancées font progresser la connaissance des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) possédant des ordres à la fois magnétique et électrique. Elles ont été réalisées par la méthode de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) résonante de rayons X grâce au flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant...) de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) très important du rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.) de SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine...).

La chiralité d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) est une propriété liée à la symétrie, ou plutôt à une absence de symétrie, telle une main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est un organe destiné...) droite qui ne peut pas se superposer avec une main gauche. Cette propriété se manifeste à toutes les échelles dans la nature, depuis les mains jusqu'aux particules élémentaires. Ici, c'est l'arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) des spins électroniques (les dipôles magnétiques portés par les électrons) dans les cristaux qui est en jeu. Les propriétés d'aimantation des matériaux ferromagnétiques comme le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le...) sont dues à l'alignement de ces spins avec une même orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;). Dans le cas des matériaux antiferromagnétiques, les spins s'alignent mais tête-bêche, leur orientation alternant d'un spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...) à son voisin. Dans certains matériaux ferromagnétiques, il peut exister des domaines circulaires appelés skyrmions dans lesquels les spins s'enroulent de façon chirale. Ces structures, peu consommatrices d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), sont considérées pour l'avenir du stockage magnétique, et leurs équivalents antiferromagnétiques, pas encore démontrés mais plus rapides à manipuler, pourraient être encore plus intéressants. Par ailleurs, de façon analogue à l'ordre ferromagnétique, il existe dans certains matériaux dits ferroélectriques, un ordre lié à l'orientation des dipôles électriques portés par les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...). Les matériaux multiferroïques sont ceux qui présentent plusieurs ordres, ferromagnétiques ou ferroélectriques.

Dans ce travail, une collaboration (1) étroite entre le synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) SOLEIL, le Service de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) de l'état condensé (SPEC, CEA), l'Unité mixte de physique (UMPhy, CNRS/Thales) et le Laboratoire Charles Coulomb (L2C, CNRS/Univ. Montpellier) a observé pour la première fois la coexistence des deux types de chiralités, magnétique et électrique, au sein d'un même matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée...) multiferroïque, le ferrite de bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.). Grâce à la très forte intensité du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule...) synchrotron, les physiciens ont pu sonder les deux types de chiralités lors d'une même expérience en utilisant la technique de diffusion résonante de rayons X (REXS) (2). De plus, des domaines pouvant s'apparenter à des skyrmions antiferromagnétiques ont été identifiés. Ces observations ont été confirmées par des techniques complémentaires de diffusion de neutrons, de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre...) à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) piézoélectrique et de magnétométrie NV (3) à balayage ainsi que par des simulations atomistiques de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de spin. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Materials.


Dessin schématisant l'ordre électrique par des bandes bleues et grenat et l'ordre magnétique par des flèches alternées (les spins) se "propageant" en forme de cycloïde (sur des traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet...) en cyan (Le cyan ( du grec kuanos, à savoir l'azurite) est une couleur pure de la lumière de longueur d'onde 500 nm. Elle est souvent appelée bleu clair ou bleu ciel. C'est un mélange de lumières bleue et verte. Le cyan est le...) dans les bandes bleues et en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) dans les bandes grenat). A la paroi entre deux domaines électriques (en blanc), les deux cycloïdes se rejoignent en formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se caractérise par son timbre...) un objet circulaire magnétique chiral qui pourrait correspondre à un skyrmion antiferromagnétique (enroulement en forme de spirale). Les deux faisceaux blancs symbolisent les faisceaux X incident et diffusé. La flèche P1 représente la direction de la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer...) électrique et la flèche rouge dans le plan celle de la propagation le long de la cycloïde.
© T. Chirac, SPEC (CEA/CNRS)

Le ferrite de bismuth (BiFeO3) est l'archétype du matériau multiferroïque, présentant un ordre antiferromagnétique et un ordre ferroélectrique, tous deux stables à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) ambiante. Des films minces de BiFeO3 ont été préparés dans lesquels un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) dense de domaines d'environ deux cents nanomètres formant de longues bandes ferroélectriques est imprimé sur l'ordre antiferromagnétique. Le couplage magnéto-électrique qui existe entre ces deux ordres conduit à la formation de structures antiferromagnétiques chirales s'enroulant en cycloïde et de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) caractéristique d'une soixantaine de nanomètres (figure).

Dans les expériences REXS, la chiralité est sondée en regardant la diffusion créée par un faisceau de rayons X lui-même chiral, c'est-à-dire polarisé circulairement dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) ou dans l'autre, et c'est l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) d'une différence entre les diffusions créées par les deux polarisations qui prouve la chiralité. La chiralité magnétique est mise en évidence en excitant directement les électrons des atomes de fer (seuil L à 707 eV), alors que la chiralité électrique est mise en évidence en excitant les électrons des atomes d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) (seuil K à 525 eV), ce qui permet de sonder les déformations des orbitales atomiques liées à l'ordre ferroélectrique. Les deux chiralités coexistent au bord des domaines ferroélectriques. A la rencontre entre deux cycloïdes, des domaines antiferromagnétiques chiraux ont été identifiés, qui pourraient correspondre à des embryons de skyrmions antiferromagnétiques !

Ces résultats montrent que la diffusion résonante des rayons X a des atouts uniques pour explorer la physique de la chiralité et la topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des structures).) des structures ferroïques complexes. Ces expériences pourraient être étendues à des expériences résolues en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) afin d'explorer aussi la dynamique des structures chirales.

Notes:
(1) Egalement avec le CEA-DAM Le Ripault pour les simulations, le laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides
CentraleSupélec/CNRS) et la source de neutrons ISIS au Royaume-Uni pour la diffusion de neutrons.
(2) REXS pour Resonant Elastic X-Ray Scattering
(3) NV pour Nitrogen Vacancy


Référence:
Electric and antiferromagnetic chiral textures at multiferroic domain walls. J.-Y. Chauleau, T. Chirac, S. Fusil, V. Garcia, W. Akhtar, J. Tranchida, P. Thibaudeau, I. Gross, C. Blouzon, A. Finco, M. Bibes, B. Dkhil, D. D. Khalyavin, P. Manuel, V. Jacques, N. Jaouen et M. Viret,Nature Materials, le 4 novembre 2019.
DOI: 10.1038/s41563-019-0516-z
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Contacts:
- Nicolas Jaouen - SOLEIL - nicolas.jaouen at synchrotron-soleil.fr
- Michel Viret - CEA - michel.viret at cea.fr
- Stéphane Fusil - Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) d'Evry - stephane.fusil at cnrs-thales.fr
- Vincent Jacques - CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) - vincent.jacques at umontpellier.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces)...) INP - inp.com at cnrs.fr
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