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Matériaux multiferroiques

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Les concepts de l’électromagnétisme sont nés de l’idée d’un lien entre les champs électriques et magnétiques. Les équations de Maxwell établies en 1865 par James Clerk Maxwell en sont le parfait exemple. La possibilité de « matériaux électromagnétiques » a été suggérée pour la première fois par Pierre Curie in 1894 au travers d’une analogie entre les phénomènes électromagnétiques dans le vide et dans la matière. Cette analogie apparaît aujourd’hui fondamentale à la lumière des avancées considérables dans le domaine de la spintronique par exemple. La possibilité de contrôler dans la matière le magnétisme par un champ électrique représente un Graal pour des applications dans le domaine des mémoires magnétiques, Graal dont la quête a fortement dynamisé la recherche de matériaux présentant un couplage magnétoélectrique. Jusqu’à présent la quasi totalité des matériaux magnétiques possède un effet magnétoélectrique faible et l’activité de ce sujet s’était considérablement ralentie depuis les années 70.

Cet axe de recherche est centré autour d’une famille de composés dans lesquels les ordres ferroélectrique et magnétique coexistent. Ces composés, dits multiferroïques, sont l’objet d’un intense effort de recherche car ils montrent des effets magneto-électriques exhaltés. Les multiferroïques sont de sérieux candidats pour la manipulation des états de spin avec des champs électriques ainsi que la modification des propriétés diélectriques avec un champ magnétique. Ces possibilités ouvrent la voie à un large champ d’applications dans le domaine émergeant de la spintronique. Les multiferroïques offrent également l’opportunité de se pencher sur les origines possibles de la ferroélectricité qui dans ces composés peut être induite par l’ordre magnétique.

Il s’agit de mettre à profit la diffusion Raman pour scruter les mécanismes microscopiques de l’effet magnétoélectrique dans les multiferroïques en combinant cette technique avec des champs extérieurs tels que les champs magnétique, électrique et la pression. Ces paramètres extérieurs ont pour but de modifier de façon contrôlé des ordres magnétiques et ferroélectriques et de comprendre leur impact sur les degrés de liberté du réseau et des spins à la recherche de nouveaux effets dynamiques. Au-delà il s’agit de s’interroger sur les origines possibles de la ferroélectricité et de réanalyser des phénomènes que l’on pensait connus au regard de ces nouvelles découvertes.

Temperature evolution of the band gap in BiFeO3 traced by resonant Raman scattering
Mads Christof Weber, Mael Guennou, Constance Toulouse, Maximilien Cazayous, Yannick Gillet, Xavier Gonze, and Jens Kreisel
Phys. Rev. B 93, 125204 (2016)

Driving spin excitations by hydrostatic pressure in BiFeO3 single crystals
J. Buhot, C. Toulouse, M-A. Méasson, , Y. Gallais, A. Sacuto, R. de Sousa, D. Wang, L. Bellaiche, M. Bibes, A. Barthelemy, A. Forget, D. Colson and M. Cazayous
Phys. Rev. Lett. 115, 267204 (2015)

Lattice and spin excitations in multiferroic h-YMnO3
C. Toulouse, J. Liu, Y. Gallais, M-A. Measson, A. Sacuto, L. Chaix, V. Simonet, S. de Brion, L. Pinsard-Godart, F. Willaert, J. B. Brubach, P. Roy, S. Petit and M. Cazayous
Phys. Rev. B 89,094415 (2014)

Crafting the magnonic and spintronic response of BiFeO3 films by epitaxial strain
. Sando, A. Agbelele, D. Rahmedov, J. Liu, P. Rovillain, C. Toulouse, I.C. Infante, A.P. Pyatakov, S. Fusil, E. Jacquet, C. Carrétéro, C. Deranlot, S. Lisenkov, D. Wang, J.-M. Lebreton, M. Cazayous, A. Sacuto, J. Juraszek, A.K. Zvezdin, L. Bellaiche, B. Dkhil, A. Barthélémy and M. Bibes
Nature Materials 12, 641 (2013)