Solitons Topologiques Multiferroïques Induits par Champ Électrique

Chimie Chimie physique Matériaux inorganiques non métalliques Science des matériaux Physique Physique de la matière condensée
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Concept of multiferroic topological states

Étude sur les solitons topologiques multiferroïques induits par un champ électrique dans des films de BiFeO3

Contexte académique

Les structures magnétiques protégées par la topologie sont prévues comme des outils puissants pour les technologies de l’information topologique dans les matériaux magnétiques. Cependant, en raison de l’insensibilité des matériaux antiferromagnétiques aux champs magnétiques, les futures technologies de solitons magnétiques pourraient davantage dépendre des matériaux antiferromagnétiques. Récemment, des objets topologiques complexes ont été découverts dans les antiferromagnétiques intrinsèques, mais le contrôle efficace en énergie de leur formation, stabilité et manipulation reste un grand défi. Dans les matériaux multiferroïques antiferromagnétiques à couplage magnétroélectrique, la conception d’états de polarisation topologiques peut nous permettre d’écrire, détecter et effacer des structures topologiques antiferromagnétiques à l’aide de champs électriques.

Source de l’article

Cet article intitulé « Electric-field-induced multiferroic topological solitons » a été coécrit par Arthur Chaudron, Zixin Li, Aurore Finco, Pavel Marton, Pauline Dufour, Amr Abdelsamie, Johanna Fischer, Sophie Collin, Brahim Dkhil, Jirka Hlinka, Vincent Jacques, Jean-Yves Chauleau, Michel Viret, Karim Bouzehouane, Stéphane Fusil et Vincent Garcia. Les auteurs sont affiliés au CNRS, Thales, Université Paris-Saclay, ainsi qu’à plusieurs instituts de recherche prestigieux en France et en République tchèque. L’article a été publié dans la revue « Nature Materials ».

Processus de recherche

Processus général de recherche

  1. Préparation et traitement des échantillons

    • Les films de BiFeO3 sont déposés par laser pulsé sur des substrats orientés (110) de DyScO3 et SmScO3.
    • Des nanostructures sont formées par lithographie électronique et dépôt de platine par centrifugation.

  2. Écriture de l’état de polarisation

    • Sous champ électrique, une pointe conductrice de microscope à force atomique écrit des textures de polarisation à quatre quadrants au centre de motifs circulaires de 800 nm, configurés tête-à-tête ou queue-à-queue.

  3. Caractérisation des structures de polarisation et antiferromagnétiques

    • La microscopie à force piézoélectrique (PFM) et la microscopie magnétique à NV (SFM) sont utilisées pour caractériser les structures de polarisation et antiferromagnétiques.

  4. Traitement et simulation des données

    • Les données PFM sont utilisées pour générer des cartes de vecteurs de polarisation et pour réaliser des simulations des spins atomiques.
    • Les simulations de champ magnétique permettent de déduire les cartes de champs de spin antiferromagnétiques.

Méthodes et étapes expérimentales

Matériaux et équipements

  • Croissance des films : Dépôt par laser pulsé avec un laser excimer KrF.
  • Structuration des électrodes : Lithographie électronique et dépôt par pulvérisation de platine.
  • Écriture au centre du domaine : Application d’un champ électrique avec une pointe conductrice, à une tension de ±50V.
  • Outils de caractérisation : Microscope à force atomique (Bruker Nanoscope V Multimode) et microscopie magnétique à NV (Qnami Proteus Q).

Traitement des données

  • Génération des cartes de polarisation : Extraction des vecteurs de polarisation à partir des mesures de phase et amplitude en PFM.
  • Simulation des textures de spin : Simulation des spins atomiques basée sur les cartes des domaines de polarisation expérimentales et calibration avec les données de la microscopie magnétique à NV.

Objet de l’étude

Étude des structures de polarisation formées dans des films de BiFeO3 sous différentes contraintes et des structures de spin antiferromagnétiques correspondantes.

Résultats de l’étude

Résultats principaux

  • Réponse piézoélectrique et domaines de polarisation : Utilisation de la PFM pour cartographier des états centraux de polarisation sous différentes contraintes. Des textures de polarisation tête-à-tête et queue-à-queue induites par champ électrique sont distinctement visibles.
  • Structures de spin antiferromagnétiques : Sous contrainte compressive, des vortex antiferromagnétiques uniques ont été observés ; sous contrainte en tension, des structures pseudo-colinéaires G-type quadrants ont été observées.
  • Simulation et validation : Les résultats des simulations des spins atomiques concordent fortement avec les mesures expérimentales, confirmant la stabilité et la contrôlabilité des textures de spin sous différents états de polarisation.

Conclusion

Cette étude démontre la formation de deux types différents de structures topologiques multiferroïques induites par champ électrique dans les films de BiFeO3. Sous contrainte compressive, des vortex antiferromagnétiques sont nucléés et fortement couplés aux domaines centraux de polarisation ; sous contrainte en tension, des structures antiferromagnétiques pseudo-colinéaires G-type quadrants sont générées. Toutes les textures multiferroïques peuvent être réversiblement écrites par de simples impulsions électriques, offrant une base pour le développement de mémoires topologiques multiferroïques.

Points forts de l’étude

  • Méthode de contrôle écoénergétique : L’étude démontre une méthode écoénergétique de contrôle des structures de polarisation et antiferromagnétiques par champ électrique.
  • Conception de structures topologiques multiferroïques : Réalisation de la conception de structures topologiques multiferroïques sous différentes contraintes.
  • Contrôlabilité des spins antiferromagnétiques : Établissement d’un contrôle précis des spins antiferromagnétiques par champ électrique, ouvrant de nouvelles possibilités pour les applications des technologies de l’information topologique.

Signification et valeur de l’étude

Cette étude confirme expérimentalement la faisabilité des structures topologiques multiferroïques contrôlées par champ électrique et révèle le couplage étroit entre les spins antiferromagnétiques et les domaines de polarisation. En comprenant et en contrôlant les textures de spin dans les films de BiFeO3, l’étude jette les bases du développement d’une nouvelle génération de mémoires topologiques. À l’avenir, en optimisant ces matériaux multiferroïques, il sera possible de créer des dispositifs de mémoire multiferroïques plus efficaces et plus stables.