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Blanc - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (Blanc SIMI 4)
Edition 2013


DYMAGE


Effets magnéto-électriques dynamiques : études expérimentale et théorique des excitations hybrides

Dymage
Effets magne´to-e´lectriques dynamiques : e´tudes expe´rimentale et the´orique des excitation hybrides

Enjeux et objectifs
Le projet Dymage vise à identifier, comprendre et manipuler les excitations magnétoélectriques (electromagnons) dans des composés multiferroïques et/ou magnétoélectriques. Ce projet comprend (i) une partie prospective de recherche et de caractérisation de matériaux prometteurs, (ii) une partie étude des excitations de ces systèmes par des techniques spectroscopiques complémentaires, avec un soutien théorique pour l’interprétation des mécanismes sous-jacents. Le cœur du projet est basé sur l’utilisation des techniques spectroscopiques que sont la diffusion inélastique de neutrons, permettant d’identifier la nature magnétique/nucléaire des excitations observées et leur dispersion dans l’espace réciproque, et la spectroscopie THz sur synchrotron permettant d’identifier les règles d’excitation de ces modes, et in fine l’identification d’excitations magnétoélectriques. Enfin le projet comprend l’application de paramètres extérieurs (champs magnétique et électrique, pression) sur ces excitations en vue de leur manipulation. Cette manipulation ainsi que la compréhension des mécanismes microscopiques à l’origine de l’effet magnétoélectrique dynamique sont des étapes fondamentales en vue de l’intégration des multiferroïques/magnétoélectriques dans des dispositifs pour la magnonique.

Méthodes / Approches
Le cœur du projet est basé sur l’utilisation des techniques spectroscopiques que sont la diffusion inélastique de neutrons, permettant d’identifier la nature magnétique/nucléaire des excitations observées et leur dispersion dans l’espace réciproque, et la spectroscopie THz sur synchrotron permettant d’identifier les règles d’excitation de ces modes, et in fine l’identification d’excitations magnétoélectriques. Le projet comprend également l’application de paramètres extérieurs (champs magnétique et électrique, pression) sur ces excitations en vue de leur manipulation.

Résultats

La partie concernant la prospective en matériaux a beaucoup progressé (taches 1 et 2). Les composés proposés dans le projet ainsi que de nouveaux composés ont été synthétisés et caractérisés (mesures d’aimantation, chaleur spécifique, polarisation électrique, diffraction de rayons X et de neutrons). Certains des matériaux pressentis se sont avérés non multiferroïques/magnétoélectriques et/ou difficiles à synthétiser sous forme de monocristaux (les échantillons en nid d’abeille à base de Co, les delafossites), alors que de nouveaux matériaux (pyroxènes) ont été obtenus, dont un est très prometteur pour l’étude des électromagnons (SrMnGe2O6).
Des mesures spectroscopiques (diffusion inélastique de neutrons et spectroscopie THz sur synchrotron) ont été réalisées sur 3 composés de la famille des RMnO3 hexagonaux (R=Y, Er, Ho). Ces expériences ont permis de mettre en évidence des effets spectaculaires dans les excitations magnétiques dus au couplage entre les deux espèces magnétiques en présence (terre rare et Mn). Un code pour calculer l’influence de ce couplage sur les excitations a été développé.
Des mesures de spectroscopie THz et de diffusion inélastique de neutrons ont également été menées sur le langasite de fer avec du Ta à la place du Nb, afin d’affiner notre compréhension de ce système dans lequel nous confirmons la découverte d’une excitation magnétoélectrique d’un type nouveau. A ce stade de l’interprétation, un aller-retour très fructueux est en cours entre expérimentateurs et théoriciens (analyse phénoménologique basée sur les symétries et calculs ab-initio).

Perspectives

Les tentatives d’application d’un champ électrique in situ lors des mesures spectroscopiques à SOLEIL n’ont pas été fructueuses jusqu’à présent. En revanche, des mesures de diffraction de neutrons sous fort champ magnétique ont été menées dans le multiferroïque CuO afin d’établir son diagramme de phase complexe. La poursuite de ces études dans le régime dynamique est envisagée. Enfin, la possibilité actuelle d’appliquer une pression lors de mesures à SOLEIL nous a motivé pour entreprendre des études avec la pression comme paramètre extérieur. Nous nous sommes concentrés sur YMn2O5 dans lequel une polarisation électrique est induite par la pression. Nous avons caractérisé l’ordre magnétique associé à ce changement par diffraction de neutrons. Nous envisageons de déterminer la modification des excitations associée à cette transition de phase par spectroscopie THz à SOLEIL. Ceci nécessitera une optimisation du dispositif expérimental afin de descendre à plus basse température que ce qui est réalisable actuellement.

Productions scientifiques et brevets

1. L. Chaix, S. de Brion, S. Petit, R. Ballou, L.-­--P. Regnault, J. Ollivier, J.-­--B. Brubach, P. Roy, J. Debray, P. Lejay, A. Cano, E. Ressouche, and V. Simonet, “Magneto-­-- to electroactive transmutation of spin waves in ErMnO3”, Phys. Rev. Lett. 112, 137201 (2014).
2. C. Toulouse, J. Liu, Y. Gallais, M-­--A. Measson, A. Sacuto and M. Cazayous, L. Chaix, V. Simonet, S. de Brion, L. Pinsard-­--Godart, F. Willaert, J. B. Brubach and P. Roy, S. Petit, “Lattice and spin excitations in multiferroic h-­--YMnO3”, Phys. Rev. B 89, 94415 (2014).
3. M. Deutsch, I. Mirebeau, et al, “Evolution of the mazgnetic structure of YMn2O5 under pressure”, submitted to PRB
4. A high-­--pressure polymorph of LuFe2O4 with room temperature antiferromagnetic order F. Damay, M. Poienar, M. Hervieu, A. Guesdon, J. Bourgeois, T. Hansen, E. Elkai¨m, J. Haines, P. Hermet, L. Konczewicz, T. Hammouda, J. Rouquette and C. Martin, submitted to PRB

Partenaires

INAC/SPSMS Institut Nanosciences et Cryogénie

IN Institut Néel

LLB Laboratoire Léon Brillouin

SOLEIL Synchrotron SOLEIL

Aide de l'ANR 566 139 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2013 - 48 mois

Résumé de soumission

Récemment, la communauté des sciences des matériaux s’est particulièrement intéressée (i) à l’effet magnétoélectrique décrivant le couplage entre propriétés électriques et magnétiques, (ii) aux composés dits multiferroïques, présentant, le plus souvent, des ordres électriques et magnétiques qui peuvent apparaître simultanément ou bien successivement. L’effet magnétoélectrique dynamique, dont l’interprétation reste inachevée, a pu être détecté sous forme d’excitations couplées spin/réseau appelées électromagnons, ceci dans quelques composés multiferroïques/magnétoélectriques. Une motivation importante pour ce type d’études vient du projet d’utiliser les excitations magnétiques en tant que vecteurs d’information ouvrant ainsi la voie vers la « magnonique ». Il est cependant nécessaire de maîtriser les mécanismes fondamentaux avant de développer une stratégie efficace pour l’optimisation de matériaux dédiés aux applications.
Le projet DYMAGE portera sur les effets magnétoélectriques dynamiques, dans leur description à la fois expérimentale et théorique. Pour cela, seront rassemblées dans ce projet des équipes scientifiques déjà très actives sur le sujet avec des compétences complémentaires, y compris en théorie, et combinant une large palette d’outils expérimentaux. Concrètement, plusieurs approches sont proposées:
(1) l’utilisation de techniques spectroscopiques complémentaires qui feront l’objet de développements techniques : la spectroscopie synchrotron TeraHertz qui sonde l’interaction de la matière avec une onde électromagnétique ; la diffraction neutronique qui est particulièrement bien adaptée pour identifier les phonons et les magnons ainsi que leurs corrélations et leur dispersion.
(2) l’étude des effets dynamiques en présence de paramètres extérieurs comme les champs magnétique et électrique statiques; la possibilité de générer des excitations hybrides dans des composés magnétiques non ferroélectriques grâce à l’application d’un champ électrique statique est particulièrement intéressante, ainsi que, plus généralement, l’impact de ces paramètres sur les ondes de spins et les vibrations du réseau.
(3) une forte contribution des théoriciens, pour la prospection, l’identification et la prédiction des propriétés dynamiques dans des nouvelles classes de composés, en particulier non ferroélectriques, sur lesquels porteront les études expérimentales (1) et (2). L’implication des théoriciens sera aussi nécessaire pour l’interprétation des résultats obtenus avec les différentes techniques expérimentales.
Parmi les composés potentiellement intéressants à étudier, nous considèrerons les manganites hexagonaux RMnO3 où des électromagnons semblent avoir été détectés ; le langasite au fer où un nouveau type d'excitations hybrides vient d'être mis en évidence; les composés ferrotoroïdiques / magnétoélectriques dans lesquels il pourrait y avoir des effets magnétoélectriques dynamiques spécifiques. C’est le cas de plusieurs composés à structure en nid d’abeille à base de métaux de transition, comme MnPS3 qui a été identifié comme ferrotoroïdique, ou les composés magnétoélectriques de la famille BaM2(XO4)2 (M=Co, Ni et X=P, As, V) et encore l’oxyde Na3Co2SbO6 également potentiellement ferrotoroïdique.
La synthèse des échantillons et leurs caractérisations est, bien entendu, une étape préliminaire indispensable et se fera grâce aux équipements déjà existant dans les quatre laboratoires impliqués.
Les études proposées dans ce projet devraient permettre de décrire sans ambiguïté les excitations hybrides, et les règles de sélection auxquelles elles obéissent suivant les sondes expérimentales. Notre but ultime est de comprendre les mécanismes microscopiques mis en jeu et de contribuer ainsi de manière significative à l’activité magnonique émergente.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (Blanc SIMI 4) 2013

Référence projet : ANR-13-BS04-0013

Coordinateur du projet :
Madame Virginie SIMONET (Institut Néel)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.