Dans l’électronique à base d’oxydes, l’antiferromagnétisme de ces matériaux est une propriété incontournable qui n’a pas été pleinement exploitée à contrario du ferromagnétisme. Une application classique des matériaux antiferromagnétiques se retrouve au sein des têtes de lecture magnétique dans lesquelles ils sont utilisés pour bloquer l’aimantation d’une couche ferromagnétique adjacente via les effets de polarisation d’échange. Aujourd’hui de nouveaux concepts sont proposés pour utiliser les oxydes antiferromagnétiques comme éléments actifs en spintronique (pour générer par exemple une magnétorésistance) ou en magnonique pour utiliser les ondes de spins pour transporter et traiter l’information. Afin de contrôler l’antiferromagnétisme dans les filmes minces d’oxydes, l’ingénierie des contraintes émerge également comme un outil puissant pour en moduler les fonctionnalités remarquables.
Ce travail s’est focalisé sur BiFeO3, un oxyde multiferroïque possédant un ordre antiferromagnétique cycloidal et des propriétés par ailleurs surprenantes comme des parois de domaines conductrices ou encore un faible gap prometteur pour des applications photovoltaïques. Ce composé a été épitaxié sous la forme d’un film sur des substrats possédants des paramètres de mailles différents conduisant ainsi à générer des contraintes variables dans les films de BiFeO3.
En combinant les spectroscopies Raman et Mössbauer avec une approche théorique de type Landau-Ginzburg et des calculs d’hamiltoniens effectifs, nous montrons que les spins s’organisent sous la forme d’une cycloïde antiferromagnétique dans les films de BiFeO3 soumis à de faibles contraintes puis forment un ordre collinéaire antiferromagnétique sous l’action de plus fortes contraintes. En effet, la réponse magnonique est entièrement modifiée sous l’effet de la contrainte. Pour des contraintes modérées, nous prédisons et observons une nouvelle forme de cycloïde par rapport à celle communément observée dans le composé massif. Les modes de spins signature de la cycloide sont supprimés à mesure que la contrainte augmente et les spins acquièrent au final un angle de tilt lui-même fonction du signe de la contrainte (tension ou compression). Nous utilisons cette propriété remarquable pour contrôler le champ d’échange et la magnétorésistance géante dans un dispositif de valves de spins.
Laboratoires impliqués :
Equipe SQUAP du laboratoire MPQ, l’Unité Mixte de Physique CNRS-Thales, le Groupe de Physique des Matériaux de l’université de Rouen, le laboratoire SPMS de l’Ecole Centrale Paris, l’université d’Arkansas et l’Académie des Sciences Russe.
Figure :
Dessin d’une excitation magnétique (magnon).
Contact :
maximilien.cazayous@univ-paris-diderot.fr
Référence :
Crafting the magnonic and spintronic response of BiFeO3 films by epitaxial strain.
D. Sando et al. Nature Materials DOI : 10.1038/NMAT3629 (2013).