Transport de spin dans des matériaux magnétiques en couches minces, par simulations Monte Carlo

L'etude des proprietes de transport dans les materiaux magnetiques a debute dans les annees 1950. Le magnetisme intrinseque a ce type de solide represente une source de diffusion supplementaire par rapport aux materiaux non-magnetiques qui vient s'ajouter aux phonons et aux impuretes ou defauts cristallins du reseau. L'etude de la diffusion magnetique est plus complexe que les deux precedentes sources diffusives enoncees. Car d'une part l'influence de la diffusion magnetique induit des comportements differents de resistivite dus au materiau, selon que ce dernier est un metal ou un semi-conducteur. D'autre part, le type de magnetisme porte par la structure est egalement a l'origine de differents comportements de la resistivite magnetique. Des les annees 1950 de nombreux auteurs se sont concentres sur l'etude des metaux et semi-conducteurs magnetiques. Il resulte des differents travaux que chacune des theories s'applique a un cas particulier et ne peut pas rendre compte de l'ensemble des comportements susceptibles d'etre observes experimentalement. A titre d'exemple, la resistivite des metaux magnetiques presente une evolution monotone fonction de la temperature (seule la derivee par rapport a la temperature presente une singularite), alors que les semi-conducteurs magnetiques presentent un pic a la temperature critique (Tc), temperature separant les phases d'ordre et de desordre magnetique. Ajoutons que les differentes interpretations concernant la diffusion magnetique autour de la temperature critique est encore un point controverse. Aussi, les theories disponibles a ce jour concernant l'etude du transport dans les materiaux magnetiques doivent etre choisies en fonction du materiau etudie (type de structure, metal ou semi-conducteur, type de magnetisme). Une methode generale, capable de rendre compte de l'ensemble des comportements de la resistivite quelle que soit la nature du solide (metal ou semi-conducteur) et du type de magnetisme fait aujourd'hui cruellement defaut. C'est a ce manque que nous avons souhaite repondre en premier lieu dans le cadre de cette these. En effet, le developpement spectaculaire de la spintronique repose sur l'utilisation des semi-conducteurs magnetiques qui ne peut faire fi d'une comprehension rigoureuse des mecanismes de diffusion autour de la temperature critique. Notre demarche a consiste a utiliser la methode numerique Monte Carlo Metropolis afin d'etudier ce probleme sous un angle nouveau. Nous avons ainsi construit un algorithme qui s'applique a un Hamiltonien assez general du systeme. Grâce a cet Hamiltonien et avec un jeu de parametres d'entrees appropriees, nous sommes en mesure par le biais de la methode Monte Carlo Metropolis de reproduire de facon generique les tendances experimentales presentes dans la litterature pour des semi-conducteurs ferromagnetiques et antiferromagnetiques, frustres et non-frustres. Egalement, la methode permet une etude systematique de materiaux caracterises experimentalement avec prise en compte des unites afin de realiser des comparaisons directes entre nos resultats de simulations et les mesures experimentales, avec un bon accord de forme et de grandeur, par exemple dans le cas du semi-conducteur magnetique MnTe. Si cette these se limite a l'etude de materiaux semi-conducteurs, nos perspectives vont consister a etendre l'etude aux systemes dilues DMS, tres etudies aujourd'hui, ainsi qu'aux problemes de diffusion aux interfaces dans les dispositifs GMR, problematique qui souleve actuellement de nombreuses questions. A ce jour notre demarche est unique et semble capable de rendre compte des comportements de resistivite experimentale en particulier pour le cas des semi-conducteurs, de fournir une nouvelle explication quant a la controverse liee aux mecanismes de diffusion electronique autour de la temperature critique. Ma contribution a ce travail a consiste a developper, en collaboration avec mon directeur de these le Pr. Hung The Diep, un algorithme pour l'etude du transport de spin. Grâce a cet algorithme, j'ai obtenu de nombreux resultats qui ont permis l'interpretation des differents resultats experimentaux presentes dans ma these. Ma contribution principale a ce travail est : - Mise au point d'une methode Monte Carlo avec des techniques permettant la reduction des fluctuations statistiques des echantillons (multi-step averaging) - Etude des differents types de materiaux ferromagnetiques et antiferromagnetiques non frustres. Observation des comportements tres marquants autour de Tc et a basse T: la dependance de la forme du pic a Tc depend de variables physiques bien identifiees (interactions : portee, nature ; temps de relaxation, reseau, .) - Etude de l'effet de la frustration sur la resistivite. Effet d'une transition du premier ordre sur la resistivite. - Interpretation du comportement de la resistivite utilisant les donnees numeriques notamment en terme de clusters et de temps de relaxation. - Etude quantitative de MnTe et comparaison avec l'experience : accord parfait. Developpons ces points en quelques mots. Le premier point sur lequel je voudrais insister, est l'interpretation nouvelle en ce qui concerne les mecanismes de diffusion a proximite des temperatures de transition ordre/desordre pour les reseaux non-frustres. En effet, j'ai mis en evidence lors de ma these que la forme du pic de resistivite autour de Tc est une consequence directe de deux effets lies au magnetisme du reseau. Autour de Tc le reseau percole et presente de larges clusters de spins paralleles (antiparalleles) qui representent autant de zones de basses (hautes) energies pour les electrons qui s'y propagent. En addition les spins du reseau subissent un ralentissement critique qui rend l'evolution du paysage magnetique extremement lent. Le ralentissement critique des fluctuations des spins du reseau fige le paysage magnetique et permet aux spins itinerants de se localiser dans les clusters paralleles (basses energies) et d'y etre pieges, donnant naissance a un pic de resistivite a Tc. En consequence nous soulignons que l'etude de transport dans les systemes magnetiques doit tenir compte du paysage energetique local du reseau magnetique, ainsi que de la dynamique des fluctuations des spins en fonction de la temperature (ce dont ne tenaient pas compte les travaux ulterieurs). C'est deux points nous permettent un traitement generalise de la resistivite dans les systemes non-frustres. Quant aux systemes antiferromagnetiques frustres, ils se caracterisent par un grand nombre d'etats degeneres (souvent infini pour des spins d'Ising). Cependant, la structure en couches minces du systeme nous permet de rendre cette degenerescence finie. Nous mettons premierement en evidence que la degenerescence du systeme induit une transition de resistivite du premier ordre, et que selon l'etat degenere du systeme, la resistivite peut presenter deux types de transition : une transition allant des basses resistivites vers les hautes resistivites, dans le sens des temperatures croissantes, ou inversement. Soulignons que ce type de materiau peut presenter un interet dans l'elaboration de systeme tel que les rams assistees par la chaleur.