Projet ANR-11-JS10-0009 – DYNAMECS : Processus dynamiques dans des matériaux magnétoélectriques
Programme : JCJC - SIMI 10 - Nanosciences (JCJC SIMI 10)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Salia CHERIFI-HERTEL (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ALSACE)
Partenaires : Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg
Montant : 210750.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : DYNAMECSLA DYNAMIQUE DU COUPLAGE MAGNÉTOÉLECTRIQUE
Le couplage magnétoélectrique à différentes échelles de tempsLa dernière décennie de recherche en électronique de spin a été marquée par la découverte de voies alternatives à l’application d’un champ magnétique pour le contrôle de l’aimantation. La possibilité d’adresser un nano-aimant avec un courant (via l’effet de spin transfer torque) ou un champ électrique (par couplage magnéto-électrique ou effet de champ) ont inspiré bon nombre de nouveaux concepts de stockage de l’information (race track, IBM), télécommunications (mini antennes), de détecteurs de courants ultra-sensibles ou d’applications médicales de précision. Dans cette perspective, les systèmes magnétoélectriques, constitués de matériaux multiferroïques artificiels ou monophasés, promettent des propriétés accrues à faible coût énergétique.De nombreux projets se sont depuis intéressés à l’élaboration de nouveaux systèmes magnétoélectriques et à l’optimisation du couplage dans les matériaux multiferroïques. DYNAMECS vient compléter les projets axées sur le développement de nouveaux matériaux en participant aux recherches visant une meilleure compréhension des mécanismes du couplage magnétoélectrique à différentes échelles de temps.
L’optique linéaire et nonlinéaire pour l’étude de l’ordre ferroïque et du couplage magnétoélectriqueLa complexité du couplage magnétoélectrique avec la coexistence de différents ordres ferroïques à l’échelle nanométrique (dans une paroi ou à l’interface entre deux films minces) requiert l’utilisation de méthodes de pointe. DYNAMECS propose le développement et l'association de  méthodes principalement optiques, linéaires et non-linéaires, particulièrement adaptées aux mesures résolues en temps. La possibilité d’associer ces méthodes à des microscopes (champ large ou confocal) nous permet par ailleurs d’accéder aux domaines ferroïques (magnétiques, ferroélectriques et magnéto-électrique/ferrotoroïdique). Le développement de ces méthodes a également nécessité un effort important de modélisation et de décomposition des signaux optiques mesurés.
Résumé de la soumission : Les derniers progrès en nanomagnetisme ont rendu possible la manipulation de l’aimantation au moyen de courants polarisés ou par le biais de champs électriques. De même, la présence d’un ordre magnétique et électrique couplé dans les multiferroiques rend ces matériaux très attractifs pour la manipulation électrique de l’aimantation. D’autre part, la démonstration du renversement ultra-rapide (< 50 fs) de l’aimantation par un laser et l’intégration des lasers dans les systèmes de stockage magnétique ouvre de nouvelles perspectives pour dans l’application du renversement optique des systèmes magnétoélectriques. A l’interface entre la spintronique et l’optomagnetisme, la recherche fondamentale permettra assurément de mieux comprendre les mécanismes de renversement dans les magnétoélectriques et aidera à améliorer leur performances. Ce type d’études n’est pourtant pas simple. La complexité du couplage magnétoélectrique et la coexistence de différents ordres ferroïques à l’échelle du nm (dans une paroi, par exemple) compliquent l’étude de la dynamique du renversement dans les nano-magnétoélectriques. Le projet DYNAMECS propose le développement et l’associant de techniques de pointe pour l’étude de systèmes ferroïques et multiferroïques modèles, de complexité graduelle. En particulier, différents modes de détection du signal la microscopie optique nonlineaire de génération de seconde harmonique est développée pour sonder différents ordres ferroïques (magnétique, ferroélectrique et magnétoélectrique/ferrotoroidic) à différentes échelles temporelles, à savoir : en régime quasi-statique (>micro-seconde), dynamique (ns), et ultra-rapide (sub-ns). Une attention particulière sera donnée au renversement optique dans ces matériaux.
Résultats : DYNAMECS a permis la mise au point d’une méthode d’étude sélective du couplage magnétoélectrique de différentes origines. Nous avons ainsi pu montrer dans les bicouches Co/PbZrTiO3 que le couplage magnétoélastique décroit de plus de 50% en fonction de la fréquence dans la gamme kHz alors que le couplage d’interface reste constant. Un autre fait marquant de DYNAMECS était l’étude de la symétrie locale et la structure interne de parois ferroélectriques en utilisant l’optique nonlinéaire SHG. La structure non-Ising de ces parois est expliquée en termes de rupture de symétrie locale, en accord avec des prédictions théoriques.
Perspectives : DYNAMECS participe aux efforts de développement de méthodes pertinentes, alliant la résolution spatiale et la résolution temporelle, pour l'étude des processus magnétoélectriques dynamiques. Une meilleure caractérisation et compréhension des mécanismes de couplage croisé dans les matériaux multiferroïques permettra d'envisager de nouvelles voies  pour l'application des dispositifs magnétoélectriques.
Publications et brevets : Ce projet a permis le développement de dispositifs expérimentaux et de méthodes particulièrement adaptés à l’étude du couplage magnétoélectrique. Ces moyens sont depuis 2014 accessibles à travers des collaborations scientifiques (ex. via le GdR OXYFUN ou par le biais de collaborations internationales). Le projet a par ailleurs donné lieu à 5 publications et 14 communications, dont trois présentations invitées de la responsable du projet. Deux colloques regroupant des experts internationaux du domaine des multiferroïques ont également été co-organisés pendant la durée du projet.