Structures magnétiques chirales aux parois de domaines antiferromagnétiques
Publié par Redbran le 20/03/2020 à 14:00
Source: CEA IRAMIS
Les progrès continus dans l'exploration du magnétisme permettent de proposer de nouveaux dispositifs pour le traitement, le transfert ou le stockage de l'information.

Les matériaux antiferromagnétiques et/ou multiferroïques présentent une structure en domaines magnétiques. La présente étude montre que la perte locale de symétrie au niveau de ces parois permet l'émergence d'embryons de skyrmions antiferromagnétiques, vortex local de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la...) chiral (avec un enroulement (Un enroulement en électrotechnique est un conducteur électrique isolé bobiné (enroulé autour d'un support). Cet enroulement peut n'être constitué...) droite ou gauche des spins) de très petite taille.

L'étude montre ainsi toute la richesse des parois multiferroïques, pour un nouveau pas vers une spintronique topologique et antiferromagnétique, pouvant permettre de réaliser des dispositifs de traitement de l'information originaux et performants: la mémorisation (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) de la valeur d'un bit sur un skyrmion permettrait le stockage magnétique de l'information avec une très haute densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...).


Skyrmion ferromagnétique: structure locale en forme de "bulle" chirale superposée à un fond d'aimantation (up), où les spins se tournent de façon uniforme dans toutes les directions.

La 'spintronique' vise à remplacer l'électronique classique par des composants basés sur le spin des électrons. Depuis ses débuts, il y a 30 ans, elle repose sur l'utilisation de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) ferromagnétiques. Très récemment, il a été proposé d'utiliser des structures de spin chirales non colinéaires appelées "skyrmions" (fig. 1) dans les applications mémoires. Ces objets, stabilisés grâce à leur topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des structures).) magnétique, représentent peut-être l'avenir du stockage magnétique de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire,...) en vertu de leur petite taille et leur dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :).

Il est maintenant possible de les générer dans des multicouches magnétiques où une brisure de symétrie spécifique permet l'établissement d'une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) d'échange asymétrique entre spins adjacents, appelée "interaction de Dzyaloshinskii-Moryia", qui favorise un enroulement chiral de l'aimantation. Pour un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par...) donné (ou parfois en faisant simplement passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) un courant dans l'échantillon), des "bulles" chirales peuvent être créées et déplacées sous l'action d'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont...). Il faut cependant noter que leur trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) est incliné et ne suit pas les lignes de courant, ce qui peut poser problème pour un guidage efficace dans des pistes sub-microniques.

En parallèle de ces développements, d'autres matériaux de nature antiferromagnétiques sont présentés comme un nouveau paradigme pour la spintronique. Ils sont composés de plusieurs (en général deux) sous-réseaux magnétiques d'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...) opposées, l'aimantation globale étant ainsi nulle. Ils ne présentent pas de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de fuite, sont intrinsèquement stables (insensibles en particulier aux champs magnétiques parasites), et très rapides (fréquences de commutation dans le régime THz). L'opportunité de rassembler le meilleur de ces deux mondes et de réaliser des "skyrmions antiferromagnétiques" est extrêmement attrayante. Ces nouvelles entités pourraient en effet être guidées en ligne droite et à des vitesses largement supérieures à celles observées dans les matériaux ferromagnétiques.

La génération des skyrmions antiferromagnétiques pose cependant plusieurs problèmes majeurs:

- Le plus épineux réside dans la difficulté à les stabiliser (pour la stabilisation des skyrmions ferromagnétiques, la présence d'un champ de fuite joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à...) un rôle important). Une solution alternative possible consiste à utiliser une brisure de symétrie comme par exemple celle d'une paroi de domaine magnétique, entités pratiquement inexplorées dans les antiferromagnétiques. A chaque paroi, la symétrie de translation est rompue, ce qui favorise l'émergence de structures non colinéaires.

. La manipulation directe de l'ordre antiferromagnétique est aussi très difficile et il est souhaitable d'utiliser des matériaux dans lesquels un autre ordre coexiste. C'est le cas de la ferrite de bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.) BiFeO3, 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...) antiferromagnétique et ferroélectrique où un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à...) permet d'influencer l'ordre magnétique via 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 une tension pour créer du...) du matériau.

La capacité d'écrire, effacer et contrôler les parois de domaines dans de tels systèmes est la pierre angulaire du concept "le matériau est le dispositif". Il est donc important d'étudier ces entités, en particulier leur structure magnétique interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...). C'est ce travail qui a été réalisé sur des couches de SrTiO3//SrRuO3/BiFeO3 qui présentent une grande densité de parois parallèles séparant (seulement) deux domaines de polarisation (obtenus pour des conditions particulières de croissance).


Figure 2. Textures antiferromagnétiques chirales aux parois de domaines dans les espaces réciproque et réel.

(a) Mesure de dichroïsme en diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les...) montrant la présence des deux familles de cycloïdes (sur les diagonales) et leur signature chirale (signal opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au...) bleu/rouge pour les pics de diffraction principaux selon chaque diagonale). Selon les axes horizontaux, les pics de diffraction intermédiaires entre les pics principaux sont la signature que les entités chirales sont distribuées selon une structure périodique rectangulaire correspondant aux parois de domaines.

(b) Magnétométrie à centre NV (nitrogen vacancy) du diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui...) mesurant le champ de fuite 60 nm au-dessus de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) et confirmant dans l'espace réel la présence d'entités magnétiques locales au niveau des parois.

(c) Simulations magnétiques à l'aide d'un code atomique montrant les cycloïdes antiferromagnétiques et leur raccordement aux parois.

(d) Schéma montrant (en haut) l'orientation de la polarisation électrique de la structure ferroélectrique et (en dessous) la structure magnétique des domaines. Selon les mesures synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.), la polarisation électrique P tourne avec une 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 appelé chiral s'il diffère de son image miroir....) identique à chaque paroi. Cet état ferroélectrique est pris comme condition initiale dans la simulation magnétique qui génère un champ de fuite (c) en excellent accord avec la mesure de magnétométrie (b). Le zoom montre la rotation cycloïdale antiferromagnétique dans les domaines.

L'étude a été réalisée en partie au synchrotron Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique,...) en diffraction résonante en géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) de réflectivité. Cette technique est puissante car elle permet de mettre en évidence la chiralité des structures en analysant le dichroïsme des pics de Bragg (différence d'intensité de diffraction entre du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) X polarisé circulairement gauche et droite). La figure 2 a) montre l'existence de deux populations de cycloïdes (couples de points en diagonale (On appelle diagonale d'un polygone tout segment reliant deux sommets non consécutifs (non reliés par un côté). Un polygone à n...) de part et d'autre du centre) appartenant à chacune des deux familles de domaines ferroélectriques présents en bandelettes. La mesure donne directement leur caractère chiral dans le contraste positif/négatif (rouge/bleu) des spots en diagonale. Ces structures découlent de l'interaction magnétoélectrique dans les domaines. Plus intéressant encore, les taches horizontales de la figure 2 a) sont associées à la structure magnétique des parois et mettent en évidence l'existence d'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 », c'est-à-dire un petit filet),...) rectangulaire d'entités magnétiques chirales. Des mesures complémentaires en magnétométrie de centre NV du diamant (fig. 2 b) font aussi apparaitre le petit champ de fuite périodique dû au raccord entre chaque famille de cycloïdes aux parois.

Une modélisation de la configuration magnétique totale (fig. 2 d) ainsi que le calcul du champ de fuite associé (c) confirment que les cycloïdes antiferromagnétiques se raccordent en générant des 'bulles' régulières. Ces entités peuvent être considérées comme des embryons de skyrmions antiferromagnétiques que l'on peut espérer utiliser pour nucléer de "vrais" skyrmions (avec leur topologie caractéristique).

Cette étude montre ainsi clairement la richesse des parois multiferroïques. C'est un pas vers l'établissement d'une spintronique topologique et antiferromagnétique, permettant de réaliser des dispositifs de traitement de l'information originaux et performants.

Référence publication:
Electric and antiferromagnetic chiral textures at multiferroic domain walls, J.-Y. Chauleau, T. Chirac, S. Fusil, V. Garcia, W. Akhtar, I. Gross, C. Blouzon, M. Bibes, B. Dkhil, D.D. Khalyavin, P. Manuel, V. Jacques, N. Jaouen et M. Viret, Nature Materials (2019)

Contacts CEA:
Jean-Yves Chauleau et Michel Viret (Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes, SPEC/LNO)

Collaboration:
- Service de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) de l'État Condensé, UMR 3680 CEA – 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).), Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) Paris-Saclay
- Synchrotron SOLEIL, Gif-sur-Yvette
- Unité Mixte de Physique, CNRS, Thales (Thalès de Milet appelé communément Thalès (en grec ancien Θαλής / Thalês), était un philosophe présocratique ionien né à...), Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay
- Laboratoire Charles Coulomb, Université de Montpellier et CNRS
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