Nouvelles interfaces magnétoélectriques pour la spintronique faible puissance – NOMILOPS

Le contrôle des propriétés magnétiques par des voies purement électriques est actuellement un enjeu important en physique du solide et pour la mise au point de futurs nano-dispositifs spintroniques. Parallèlement aux stratégies exploitant le transfert de spin de nouvelles approches basées sur l'application d'un champ électrique à travers un isolant et donc intrinsèquement peu consommatrice d’énergie ont été proposées. Par exemple on peut citer celles visant à contrôler l’anisotropie magnétique par la piézoélectricité dans les composites magnétoélectriques, à manipuler la température de Curie (Tc) dans les canaux ferromagnétiques via des grilles ferroélectriques, ou celles exploitant l’effet magnétoélectrique existant dans les multiferroïques. Malgré de nombreux efforts à l’échelle internationale, il n'a toujours pas été possible d’obtenir un contrôle reproductible des propriétés dépendant du spin par application d’un champ électrique à température ambiante.

L'objectif du projet NOMILOPS est de résoudre ce problème et d’obtenir un contrôle électrique non-volatile des propriétés magnétiques et de spin dans des jonctions tunnel magnétiques à barrière ferroélectrique (appelées «jonctions tunnel multiferroïques artificielles" ou MFTJs). Nous proposerons, explorerons et exploiterons plusieurs nouveaux mécanismes de couplage magnétoélectrique de nature purement interfaciale dans des combinaisons de couches ultraminces ferroélectriques et de matériaux magnétiques.

Notre projet s’appuie sur notre démonstration récente d’un contrôle ferroélectrique de la magnétorésistance tunnel reflétant le contrôle de la polarisation de spin à basse température dans des MFTJs de La2/3Sr1/3MnO3/BaTiO3/Fe. Ici, nous visons spécifiquement un fonctionnement à température ambiante dans des MFTJs alliant des ferroélectriques et des matériaux magnétiques de Tc supérieures à 300K.

Nous proposons trois types d'interfaces magnétoélectriques entre un film ultra-mince ferroélectrique et plusieurs systèmes magnétiques qui devraientt permettre un contrôle électrique non-volatile de:
1. l’ordre magnétique (ferro / antiferro ou ferro / para)
2. la Tc sur une plage de plus de 50K autour de 300K
3. l'amplitude et du signe de la polarisation de spin

Pour chaque type d’interface nous réaliserons des calculs ab initio afin de prévoir les interfaces les plus prometteuses et leur réponse attendue (changement de leur densité d’états dépendant du spin, transmission tunnel une fois intégrés dans jonctions tunnel). Cette activité théorique orientera la croissance d'hétérostructures dans un système de bâtis de croissance couplés (ablation laser et pulvérisation cathodique). La structure des différentes couches et de leurs interfaces sera caractérisée à l'échelle atomique par plusieurs techniques complémentaires telles que la microscopie électronique en transmission (STEM), la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) et la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS). Un effort important sera également fourni pour évaluer la réponse des films ultra-minces ferroélectriques en fonction de la contrainte, de l'épaisseur, des conditions aux limites électriques, de la température et de la fréquence. Nous caractériserons les propriétés magnétiques des interfaces élément par élément via des mesures de dichroïsme magnétique circulaire des rayons X (XMCD). Ces hétérostructures seront nanostructurées par lithographie optique et électronique afin de définir des MFTJs et des dispositifs permettant de sonder in situ l'influence de la polarisation ferroélectrique sur la réponse XMCD.

Notre consortium rassemble des experts de classe mondiale en théorie, caractérisation, croissance et mesures magnétiques et magnétotransport, ainsi qu’un acteur industriel majeur. Les liens déjà solides entre les partenaires attesté par leur liste de publications communes, constituent un atout garantissant une synergie intense, essentielle à la réussite du projet.