CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

11 février 2020
Structures antiferromagnétiques chirales aux parois de domaines
Structures antiferromagnétiques chirales aux parois de domaines

Figure 1. Skyrmion ferromagnétique: une bulle chirale dans un fond aimanté vers le haut ou l'ordre magnétique tourne avec un enroulement identique dans toutes les directions.

La ‘spintronique’, qui vise à remplacer l’électronique classique par des composants basés sur le spin des électrons, repose sur l’utilisation de matériaux ferromagnétiques depuis ses débuts il y a 30 ans. Très récemment, il a été proposé d’utiliser des structures de spin chirales non colinéaires appelées ‘skyrmions’ (fig. 1) dans les applications mémoires. Ces objets, stabilisés grâce à leur topologie magnétique, représentent peut-être l’avenir du stockage de données en vertu de leur petite taille et leur dynamique. Il est maintenant possible de les générer dans des multicouches magnétiques où une brisure de symétrie spécifique permet l’établissement d’un échange asymétrique appelé interaction de Dzyaloshinskii-Moryia qui favorise un enroulement chiral de l’aimantation. Pour un champ magnétique donné (ou certaines fois en passant un courant dans l’échantillon), des bulles chirales peuvent être créées et bouger sous l’action d’un courant électrique. Leur mouvement est d’ailleurs penché par rapport aux lignes de courant, ce qui peut poser problème pour un guidage efficace dans des pistes sub-microniques.

 

En parallèle de ces développements, d’autres matériaux appelés antiferromagnétiques sont présentés comme un nouveau paradigme pour la spintronique. Ils sont composés de plusieurs (en général deux) sous-réseaux magnétiques opposés qui annulent l’aimantation globale. Ils ne présentent pas de champ de fuite, sont intrinsèquement stables (insensibles aux champs magnétiques parasites), et très rapides (fréquences de commutation dans le régime THz). L’opportunité de rassembler le meilleur de ces deux mondes et de réaliser des ‘skyrmions antiferromagnétiques’ est extrêmement attrayante. Ces entités pourraient en effet être guidées en ligne droite et à des vitesses largement supérieures à celles des ferromagnétiques.

La génération des skyrmions antiferromagnétiques pose cependant plusieurs problèmes majeurs dont le plus épineux réside dans la difficulté de les stabiliser (le champ de fuite de leurs cousins ferromagnétiques joue un rôle important). Une solution alternative possible consiste à utiliser une brisure de symétrie comme par exemple celle d’une paroi de domaine. Ces entités représentent un territoire pratiquement inexploré dans les antiferromagnétiques, mais c’est là que la symétrie de translation est rompue favorisant ainsi des structures non colinéaires. Aussi, la manipulation directe de l’ordre antiferromagnétique est très difficile et il est souhaitable d’utiliser des matériaux dans lesquels un autre ordre coexiste. C’est le cas de la ferrite de bismuth BiFeO3, un antiferromagnétique ferroélectrique où un champ électrique permet d’influencer l’ordre magnétique via la polarisation du matériau. La capacité d'écrire, d'effacer et de contrôler les parois de domaines dans de tels systèmes est la pierre angulaire du concept «le matériau est la machine». Il est donc important d’étudier ces entités et en particulier leur structure magnétique interne. C’est ce travail qui a été réalisé sur des couches de SrTiO3//SrRuO3/BiFeO3 qui présentent une grande densité de parois parallèles séparant (seulement) deux domaines de polarisation (obtenus pour des conditions particulières de croissance). L’étude a été réalisée en partie au synchrotron Soleil en diffraction résonante en géométrie de réflectivité. Cette technique est puissante car elle permet de mettre en évidence la chiralité des structures en analysant le dichroïsme des pics de Bragg (la différence entre la diffraction du rayonnement X polarisé circulairement gauche et droite). La figure 2 a) montre l’existence de deux populations de cycloïdes (couples de points en diagonale de part et d’autre du centre) appartenant à chacune des deux familles de domaines ferroélectriques présents en bandelettes. La mesure donne directement leur caractère chiral dans le contraste positif/négatif (rouge/bleu) des spots en diagonale. Ces structures découlent de l’interaction magnétoélectrique dans les domaines. Plus intéressant encore, les taches horizontales de la figure 2 a) sont associées à la structure magnétique des parois et mettent en évidence l’existence d’un réseau rectangulaire d’entités magnétiques chirales. Des mesures complémentaires en magnétométrie de centre NV du diamant (fig. 2 b) font aussi apparaitre le petit champ de fuite périodique dû au raccord entre chaque famille de cycloïdes aux parois. Une modélisation de la configuration magnétique totale (fig. 2 d) ainsi que le calcul du champ de fuite associé (c) confirment que les cycloïdes antiferromagnétiques se raccordent en générant des ‘bulles’ régulières. Ces entités peuvent être considérées comme des embryons de skyrmions antiferromagnétiques que nous espérons utiliser à l’avenir pour nucléer des ‘vrais’ skyrmions (avec la topologie caractéristique). Quoi qu’il en soit, l’étude montre clairement la richesse des parois multiferroïques et représente un pas vers l’établissement d’une spintronique topologique et antiferromagnétique.

 

 
Structures antiferromagnétiques chirales aux parois de domaines

Figure 2. Textures antiferromagnétiques chirales aux parois de domaines dans les espaces réciproque et réel. (a) Dichroïsme de la figure de diffraction montrant les deux familles de cycloïdes (sur les diagonales) et leur signature chirale (signal opposé bleu/rouge des tâches sur une diagonale). Les taches horizontales centrales attestent d’une structure périodique rectangulaire correspondant à des entités chirales aux parois de domaines. (b) Magnétométrie à centre NV du diamant mesurant le champ de fuite 60 nm au-dessus de l’échantillon et confirmant dans l’espace réel la présence d’entités magnétiques ponctuelles sur les parois. (c) Simulations magnétiques à l’aide d’un code atomique montrant les cycloïdes antiferromagnétiques et leur raccordement aux parois. (d) Schéma illustrant la structure ferroélectrique (en haut) et la structure magnétique (en bas) des domaines. D’après les mesures synchrotron, la polarisation électrique P tourne avec une chiralité identique à chaque paroi. Cet état ferroélectrique est pris comme condition initiale dans la simulation magnétique qui génère un champ de fuite (c) en excellent accord avec la mesure de magnétométrie (b). Le zoom montre la rotation cycloïdale antiferromagnétique dans les domaines.


Référence :

Electric and antiferromagnetic chiral textures at multiferroic domain walls, J.-Y. Chauleau, T. Chirac, S. Fusil, V. Garcia, W. Akhtar, I. Gross, C. Blouzon, M. Bibes, B. Dkhil, D.D. Khalyavin, P. Manuel, V. Jacques, N. Jaouen et M. Viret, Nature Materials (2019)

Contact CEA :

Jean-Yves Chauleau et Michel Viret (Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes, SPEC/LNO)

Collaboration :

 
#3193 - Màj : 11/02/2020

 

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