Service de Physique de l'Etat Condensé

Antiferromagnétisme en surface et en volume : NiO(111)
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Antiferromagnétisme en surface et en volume : NiO(111)

(a) Géométrie de diffraction magnétique de surface : alpha est l’angle d’incidence, 2-théta le double de l’angle de Bragg. (b) Empilement des plans de Ni et O perpendiculairement à la surface. (c) Balayages dans l’espace réciproque le long de la direction (11L) dans le canal direct (diffraction de surface) et dans le canal qui n’analyse que les photons ayant subi une rotation de polarisation (diffraction magnétique).

Dans un matériau antiferromagnétique les aimantations portées par les atomes sont tête-bêche de proche en proche ; l’ordre antiferromagnétique s’établit sur des mailles doubles (au moins dans une direction) par rapport aux mailles structurales (figure 1b). Il en résulte une aimantation globale nulle et par conséquent une grande difficulté pour la mesure des propriétés magnétiques, en particulier les méthodes de magnétométrie classiques sont inadaptées. De plus, si on porte son intérêt sur la région de surface (quelques nanomètres) la situation devient encore plus délicate à cause de la réduction géométrique de la quantité de matière sondée ; dans cette limite même les expériences basées sur l’interaction avec les neutrons deviennent difficiles. Cependant, les substrats antiferromagnétiques jouent un rôle primordial dans les capteurs magnétiques modernes (tête de lecture de disques durs, mémoires magnétiques permanentes…) car ils assurent le durcissement magnétique d’une des couches ferromagnétiques du capteur ; la compréhension de ses propriétés est un enjeu important tant d’un point de vue fondamental que dans une approche orientée vers les applications de type électronique de spin. Afin de surmonter ces difficultés et d’appréhender l’antiferromagnétisme sur un matériau modèle comme NiO(111) [A.Barbier et coll., Physical Review Letters 84 (2000) 2897 et Physical Review B 62 (2000) 16056 ] on a proposé une approche expérimentale nouvelle basée sur le rayonnement synchrotron. En effet, celui-ci est fortement et naturellement polarisé dans le plan de l’orbite des particules circulant dans l’anneau synchrotron et seule l’aimantation peut, en interagissant avec les photons, provoquer une modification (rotation de phase) de la polarisation. La géométrie expérimentale (figure 1a) s’inspire à la fois de la diffraction de surface pour laquelle l’angle d’incidence est maintenu fixe et de la diffraction magnétique où un cristal analyseur permet d’identifier la polarisation des photons diffractés. Les expériences ont été réalisées hors résonance avec un cristal analyseur PG(006) à une énergie de photons de 7981 eV. L’angle d’incidence permet de choisir la profondeur sondée et l’analyse de polarisation rend possible la séparation du signal structural du signal magnétique (figure 1c) qui bien plus faible (le minimum de diffusion due à la surface est environ 100 fois plus intense que le maximum de la diffraction magnétique). 
Antiferromagnétisme en surface et en volume : NiO(111)

(Triangles, losanges) Intensités individuelles de pics de la famille (1,1,1.5). Evolution de l’aimantation des sous réseaux dans le volume (carrés) et en surface (cercles) en fonction de la température. (Lignes continues et pointillées) Meilleurs ajustements pour des transitions du premier ordre.

Si l’on considère des familles de pics de diffraction de même transfert de moment ce type de mesure permet de remonter à l’aimantation sur chacun des sous réseaux (figure 2). On a ainsi pu montrer que la température de Néel (TN) (transition de l’état antiferromagnétique ordonné à l’état paramagnétique désordonné) est significativement plus élevée en surface qu’en volume et que la transition est le mieux décrite en terme de transition du premier ordre. De plus on a découvert que la transition s’opère en deux étapes, à la température TSN (figure 2) l’ordre antiferromagnétique à grande distance est perdu (les domaines antiferromagnétiques deviennent équiprobables) et à TN l’ordre local est perdu. On a finalement pu en déduire le profil d’aimantation à partir de la surface et en fonction de la température : l’ordre antiferromagnétique s’établit de la surface vers le volume, ce qui peut expliquer au moins partiellement un certain nombre de propriétés observées lorsqu’un matériau ferromagnétique est mis en contact avec NiO(111). Pour plus d’information on pourra consulter l’article : A.Barbier et coll., Physical Review Letters 93 (2004) 257208

Maj : 18/01/2005 (310)

 

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