Sujet de stage / Master 2 Internship

Ce stage comporte une première partie numérique avec l’exploitation d'un programme de simulation atomique antiferro-magnétique développé au laboratoire. La seconde partie expérimentale, consiste à imager des nanostructures de BiFeO3, magnéto-électrique à l'ambiante. La technique d'imagerie est basée sur la génération de seconde harmonique en champ proche.

Les antiferromagnétiques (AF) sont actuellement à l'honneur grâce à des avancées récentes démontrant l'effet efficace des courants de spin dans l'interaction avec le paramètre d'ordre AF [1,2]. Jusqu'à présent, en raison du manque d'aimantation nette, le contrôle des distributions AF a été plutôt difficile. Côté matériaux, les antiferromagnétiques représentent la majorité des matériaux magnétiques et certains d'entre eux présentent plusieurs phases ordonnées couplées ensemble. Ils sont communément appelés « multiferroïques ». Les matériaux multiferroïques [3] font l'objet d'un intense effort de recherche en raison de l'intérêt technologique important des matériaux multifonctionnels ainsi que de la physique fondamentale riche issue du couplage entre différents paramètres d'ordre. Parmi tous les multiferroïques, BiFeO3 (BFO) est un matériau de choix car ses deux températures d'ordre (ferroélectrique FE et AF) sont bien supérieures à la température ambiante. De plus, un grand couplage magnétoélectrique (ME) a ​​été démontré dans les monocristaux ainsi que dans les couches minces. Au-delà de la capacité de manipuler l'ordre AF à l'aide d'un champ électrique, l'interaction ME est l'ingrédient principal pour stabiliser les distributions magnétiques homochirales, faisant de BFO un hôte idéal pour les entités multiferroïques topologiques [4]. Cependant, un inconvénient des multiferroïques est que ces textures FE/AF peuvent être assez difficiles à sonder, en particulier avec une résolution spatiale requise inférieure à 100 nm. La génération de seconde harmonique, une approche optique non linéaire, s'est avérée être un moyen puissant et élégant d'imager des textures multiferroïques complexes et de démêler les différentes contributions en jeu [5]. Au CEA/SPEC, nous sommes expérimentés dans l'évaluation des distributions ferroélectriques et antiferromagnétiques avec une résolution submicronique [6].

Nous visons maintenant à étudier les nanostructures (quelques 100 nm) de ces matériaux. L'objet du stage proposé est alors double : 1) à l'aide d'un code de simulation micromagnétique maison adapté au BFO, l'étudiant simulera quelques configurations magnétiques de base en fonction des domaines ferroélectriques. 2) Ces structures (réalisées au CNRS/Thales) seront imagées au laboratoire par microscopie de génération de seconde harmonique en champ proche.
Durant ce stage, l'étudiant sera formé à l'optique laser, à la microscopie optique en champ proche et devra utiliser le code de simulation développé en interne. Nous recherchons un candidat qui aime la dualité entre la simulation et l'expérience, avec une certaine maîtrise du codage informatique de base. Idéalement, le stage se poursuivrait en doctorat car le sujet proposé s'inscrit dans un travail de longue haleine sur ces matériaux.

[1] T. Jungwirth, X. Marti, P. Wadley and J. Wunderlich Nature Nanotech. 11, 231 (2016) [2] P. Wadley and al. Science 351, 587 (2016) [3] N. Spaldin and M. Fiebig, Science, 309, 391 (2005) [4] J.-Y. Chauleau & al., Nature Materials, 19, 386 (2020) [5] M. Fiebig & al., Nature, 419, 818 (2002) [6] J.-Y. Chauleau & al., Nature Materials, 16, 803 (2017)