Acoustique pour les antiferromagnétiques – ACAF

Ce projet s'est axé sur deux matériaux différents.

Dans le ferrimagnet GdCo, nous étudions la dynamique AF déclenchée par les ODS à la température de compensation angulaire, où l’aimantation demeurera non-nulle et détectable.

Dans le AF FeRh, le défi est de contrôler l’état statique AF grâce aux ODS, en s’appuyant sur la nature magnéto-structurale de la transition AF-FM.

Pour ces deux volets, il est d'abord nécessaire de faire croître les matériaux sur un substrat piézoélectrique afin de pouvoir exciter les ondes acoustiques de surface électriquement, grâce à une méthode éprouvée industriellement, et reposant sur des peignes interdigités.

Puis il s'agit de mesurer pour ces deux systèmes la transmission acoustique en fonction de la température et du champ magnétique, ces deux paramètres permettant d'ajuster la fréquence de résonance des modes magnétiques. Pour e jeu de paramètres la faisant coïncidant avec la fréquence acoustique, une absorption critique est attendue. Les dispositifs expérimentaux développés au laboratoire donnent accès à une analyse statique et dynamique, temporelle et spatiale des phénomène en jeu pour en affiner la compréhension.

Dans FeRh, nous avons compris comment modifier de façon dynamique la transition AF<>FM grâce aux ondes acoustiques de surface.

Nous avons par ailleurs caractérisé la force du couplage magnéto-élastique, ainsi que les constants élastiques, des paramètres indispensables pour optimiser des structures résonantes.

Enfin dans sa phase purement ferromagnétique, nous avons également compris comment exploiter la mémoire magnétique - ou hystérèse - pour atteindre le régime de résonance.

Le projet a également donné une moisson de résultats très intéressants sur deux thématiques non envisagées au départ:

- la modulation thermique de la fraction AF/FM dans ce matériau. Ces résultats ont initié une fructueuse collaboration avec une nouvelle équipe, et constitue une part important du travail de thèse d'un étudiant.

- l'hystérèse magnétique observée dans des expériences de résonance ferromagnétiques sur des métaux

La compréhension et la modélisation du rôle de l’hystérèse magnétique dans l’interaction phonon-magnon, permettra à terme d’améliorer le fonctionnement des capteurs de champ magnétique à base de dispositifs à ondes de surface. Nous avons d’ailleurs participé à une revue de perspective à ce sujet, à paraître en 2025 dans Journal Physics D (Marangolo et al) .

Le projet ACAF est au carrefour de deux domaines passionnants et prometteurs qui ont émergé et gagné en visibilité internationale ces dernières années : les matériaux antiferromagnétiques pour de nouveaux dispositifs spintroniques, et la magnéto-acoustique pour de nouvelles approches de manipulation de l’aimantation. Il y a maintenant un engouement pour l’utilisation des matériaux antiferromagnétiques (AFM) colinéaires au lieu de matériaux ferromagnétiques (FM) pour coder l’ information magnétiquement, par exemple sur deux directions orthogonales du vecteur de Néel. Cependant l'insensibilité des AFM aux champs magnétiques externes en raison de leur aimantation nulle rend difficile la détection et le contrôle de l'état antiferromagnétique (AF). Afin de contourner ce verrou pour la manipulation statique et dynamique des AFM, le projet mettra en œuvre de façon originale un effet bien connu: la magnéto-élasticité. Des ondes de déformation dans la gamme hypersonique seront utilisées pour agir sur la dynamique AF. Plus spécifiquement, nous utiliserons des ondes acoustiques de surface (OAS). Avec leur génération économe en énergie, leur faible atténuation et leur flux confiné à la surface, les OAS se sont révélées dernièrement un outil très pertinent pour la manipulation non inductive de l'aimantation dans les ferromagnétiques ultra-minces, ouvrant une nouvelle voie vers la «straintronique». Grâce à la magnéto-élasticité, une OAS génère un champ magnétique radiofréquence effectif, particulièrement efficace pour agir sur la dynamique de l’aimantation lorsque sa fréquence correspond à la fréquence d’une onde de spin.
Pour étudier sur le plan fondamental le potentiel des OAS pour contrôler les états AF, nous avons choisi deux systèmes magnétostrictifs modèles qui peuvent fonctionner autour de la température ambiante afin d'être compatibles avec les applications potentielles. Les deux systèmes réintroduisent une aimantation finie et variable, ce qui facilitera la détection de sa dynamique AF et / ou la manipulation du vecteur de Néel. Dans GdCo, un ferrimagnétique, nous évaluerons le potentiel des SAW pour piloter la dynamique à la température de compensation des moments angulaires, où la dynamique est de type AF mais l’aimantation ne s'annule pas. Dans le composé antiferromagnétique FeRh, l'objectif ambitieux sera de contrôler l'état AF statique à l'aide d’une OAS, en s'appuyant sur la transition magnéto-structurale AFM-FM de premier ordre, très sensible à la déformation. À température constante, l’OAS induira une transition locale vers l'état FM, permettant une rotation de magnétisation de 90 degrés, s’imprimant sur le vecteur de Néel après le retour à l'état AFM.
Le projet développera la croissance et l’optimisation de couches minces et de microstructures de FeRh et GdCo et la conception d’échantillons pour la génération électrique efficace d’OAS, la caractérisation magnétique et structurale des échantillons, l'étude et le calcul des dispersions de magnons et phonons par diffusion Brillouin, l’observation optique dans les domaines temporel et spatial de la dynamique AF induite par les OAS et de la transition AF-FM. Le projet rassemble trois laboratoires français aux compétences et techniques complémentaires, et s’appuie sur une expertise reconnue en magnéto-acoustique. Il comprend également une collaboration avec deux laboratoires étrangers, pour la croissance de FeRh et les aspects théoriques.
À plus long terme, ce projet pourrait ouvrir de nouvelles voies pour mettre en œuvre des composants magnétiques avec une dissipation Joule plus faible car les ondes acoustiques sont excitées par une tension et non un courant. Il pourrait également permettre une conception alternative du stockage de données dans les matériaux AF en utilisant les propriétés ondulatoires des OAS : focalisation, interférences, mise en forme du front d'onde et guidage d'ondes, ou l’accès à distance des bits, grâce à la faible atténuation de ces ondes acoustiques.