Pilotage electrique de l'ordre antiferromagnetique dans les nanostructures – ELECTRA

L’étude de nanostructures magnétiques soulève ces dernières années des intérêts vifs et divers tant du point de vue de l’originalité des phénomènes physiques rencontrés que de la variété des applications potentielles. Son développement récent, visant à obtenir un contrôle électrique des propriétés magnétiques est emblématique de cette concomitance d’avancées en physique fondamentale et appliquée. Il ouvre la voie à la conception de dispositifs de spintronique ne nécessitant plus l’application d’un champ magnétique. Jusqu’à maintenant, dans ce domaine de recherche, il était principalement question de manipuler l’aimantation de nanostructures ferromagnétiques. Récemment, des études théoriques ont suggéré qu’il était aussi possible de contrôler l’ordre magnétique dans des antiferromagnétiques (AF) grâce à un champ électrique ou un courant, et ceci d’une manière bien plus efficace qu’avec des ferromagnétiques. Les antiferromagnétiques pourraient donc dorénavant jouer un rôle actif dans les nanostructures complexes où ils ne constituent actuellement que des couches auxiliaires.
Le projet ELECTR-AF vise à explorer les mécanismes physiques à la base du contrôle électrique de l’ordre antiferromagnétique. Pour en élucider les phénomènes intrinsèques, nous nous concentrerons sur l’étude de systèmes modèles. Nous nous intéresserons ainsi à des hétérostructures à base de films minces épitaxiaux de Cr, l’ordre AF du Cr volumique étant bien caractérisé et facile à manipuler. Les échantillons de Cr de bonne qualité cristalline présentent un ordre magnétique du type onde de densité de spin (ODS), dont la période est incommensurable avec celle du réseau cristallin. Ces couches AF seront incluses dans des hétérostructures modèles : nous ferons croître des tricouches épitaxiées formées d’un métal bcc/barrière de MgO/métal bcc (le Cr constituant l’une des deux couches métallique). Ce type de système a été déterminant dans la compréhension détaillée du transport tunnel polarisé en spin, et nous pourrons ainsi profiter des connaissances accumulées pour notre étude du transport polarisé en spin dans les AF.
Dans un premier temps, nous procéderons à une étude approfondie des propriétés magnétiques de films minces de Cr et de l’interface Cr/MgO afin d’enrichir notre connaissance du système. Nous adopterons ensuite deux stratégies distinctes pour manipuler l’ordre magnétiques des couches de Cr :
- Nous appliquerons une tension sur la couche de MgO pour créer une accumulation de charges à l’interface Cr/MgO. Connaissant la sensibilité du Cr au dopage, nous escomptons une modification de la période de l’onde de densité de charge dans le Cr.
- Nous ferons circuler un courant polarisé en spin dans une couche de Cr. Nous voulons observer des effets de couple de transfert de spin, matérialisés par le retournement ou la précession du vecteur d’ordre du Cr.
Des mesures par diffraction et magnétotransport nous permettrons d’étudier la modification de l’ordre magnétique du Cr avec une perturbation extérieure. Un des défis de ce projet est de parvenir à caractériser l’ordre magnétique du Cr. La diffraction de neutron, qui donne accès directement aux propriétés de l’ODS (direction de propagation, période et polarisation), est pour ce faire l’outil idéal. Ce projet nous apportera les moyens de repousser les limites de cette technique. Nous ferons aussi appel à des techniques utilisant le rayonnement synchrotron, et bénéficierons des tout derniers développements en microscopie électronique. Les aspects expérimentaux de ce projet sont certes très ambitieux mais à la lumière des tests de faisabilité déjà effectués et des développements récents dans ces différentes techniques, nous sommes très optimistes quant à leur réalisation.