Simultanément ferromagnétique et antiferromagnétique

Les composants électroniques stratifiés, présentant différents ordres magnétiques, font l'objet de multiples utilisations dans plusieurs types d'appareils : les têtes de lecture des disques durs, qui inscrivent ou lisent les données enregistrées, ou encore les capteurs ultrasensibles de champs magnétiques, capables de convertir le champ magnétique en signal électrique. Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer (PSI) ont à présent découvert un matériau, qui combine différentes propriétés magnétiques. Il s'agit de l'oxyde de lutécium-manganèse, le LuMnO₃, un matériau qui présente une structure de type pérovskite, comme celle de certains supraconducteurs à haute température. Les fines couches monocristallines ont été montées sur un cristal de support antimagnétique et monocristallin (le YAlO₃).

La distorsion qui rend les ordres contraires possibles

Normalement, le LuMnO₃ monocristallin manifeste un ordre antiferromagnétique, où deux spins sont orientés dans la même direction, suivis de deux spins orientés dans la direction opposée, et ainsi de suite. Dans les couches produites et étudiées au PSI, les 10 premiers nanomètres situés à proximité immédiate de la surface du cristal de support présentaient un ordre ferromagnétique, et non l'ordre antiferromagnétique attendu, où tous les spins sont orientés dans la même direction. Normalement, il est impossible de transformer un aimant antiferromagnétique en aimant ferromagnétique, souligne Christof Schneider, l'un des chercheurs impliqués. Ne serait-ce que pour des raisons de symétrie. Il a donc dû se produire ici quelque chose de particulier. L'explication vraisemblable de cet effet réside dans la distorsion, qui s'est produite au sein de la structure cristalline du matériau, lorsque ce dernier s'est adapté à la structure du cristal de support. Dans la structure distordue, l'ordre magnétique préféré est ferromagnétique. Mais plus on s'éloigne du support, plus la structure cristalline se détend. Pas complètement, toutefois : à la place de l'ordre antiferromagnétique attendu, qui devrait s'installer à partir d'un certain éloignement, on observe une spirale de spin antiferromagnétique, où la configuration des spins a la forme d'un escalier en colimaçon. Des expériences ont été conduites avec des neutrons pour analyser la structure magnétique du LuMnO₃. Or, elles indiquent clairement cette spirale de spin. Les résultats de mesure suggèrent que l'ordre antiferromagnétique attendu existe par ailleurs. Pour percer le mystère du magnétisme dans les fines couches , nous avons réalisé que nous devions appliquer plusieurs techniques de diffusion des neutrons. Fondamentalement, les nouvelles mesures de réflectivité des neutrons, qui nous ont permis d'identifier l'emplacement exact du ferromagnétisme, peuvent être appliquées pour de futures expériences sur les matériaux de fines couches., relève Christof Niedermayer, qui a conduit une partie des expériences faites avec des neutrons.

Diversité des compétences au PSI

Ce résultat a impliqué les compétences de différents laboratoires de l'Institut Paul Scherrer. Les couches étudiées ont été fabriquées avec ablation laser dans le groupe de travail Matériaux du Département de recherche Energie non nucléaire. Le matériau brut vaporisé au laser a été extrait pendant ce processus sur un support de YAlO3 monocristallin, ce qui a permis la constitution d'une couche monocristalline. Les propriétés magnétiques ont été analysées aux grands instruments du PSI, au moyen de neutrons et de muons. Comme ils ont un moment magnétique, et permettent un examen détaillé de la structure magnétique des matériaux, les muons et les neutrons jouent ici un rôle de premier ordre. La réflectométrie de neutrons, par exemple, a permis de localiser les composants ferromagnétiques au sein des couches.

La collaboration entre les différents laboratoires est soutenue à l'interne par plusieurs instruments d'encouragement de l'Institut Paul Scherrer : la Commission de recherche interne et le Programme CROSS, qui encourage la collaboration entre les différents départements de recherche de l'institut, également avec le soutien du Fonds national suisse (FNS), dans le cadre du Pôle de recherche national MaNEP, consacré à l'étude de matériaux présentant des propriétés électroniques nouvelles.

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à disposition de la communauté nationale et internationale. Les principales recherches de l'Institut sont centrées dans le domaine matière et matériaux, energie et environnement, santé. Avec 1500 collaborateurs et un budget annuel d'environ 300 millions CHF, le PSI est le plus grand centre de recherche de Suisse.