Effets magnéto-thermo-électriques en électronique de spin antiferromagnétique – MATHEEIAS

Ce projet permettra d'identifier et d'exploiter de nouveaux mécanismes de transport dans les matériaux antiferromagnétiques (AF) complexes. Nous nous concentrerons sur les origines cristallines, topologiques et anormales de l'effet Hall de spin, de l'effet Hall spontané, ainsi que de leurs contreparties Nernst thermiques. Ces effets résultent en partie de la brisure spontanée de symétrie dans les AFs. Le projet aborde ainsi des questions fondamentales dans une branche émergente de la spintronique basée sur les phénomènes de transport pilotés par les symétries cristallines, la topologie et leurs interactions avec l'ordre AF. Cette combinaison de mécanismes pourrait s'avérer essentielle pour l’obtention d'effets robustes et de grande amplitude, essentiels pour le développement de nouveaux concepts de dispositifs dans le domaine très actif de la spintronique AF.
En spintronique, l'interconversion entre les courants de charge et de spin est à l’origine de progrès en physique fondamentale, favorisant ainsi l'émergence de nouvelles applications. Au cours de la dernière décennie, il est apparu que le principal mécanisme responsable de la conversion spin-charge, l'effet Hall de spin (SHE), est lié à la brisure d’un ensemble de symétries d’inversions spatiales et temporelles. En effet, l’effet Hall est soit associé à la déviation du spin induit par couplage spin-orbite extrinsèque ou intrinsèque (effet Hall ‘anormal’, AHE), aux structures de spin non triviales (effet Hall ‘topologique’, THE), ou à des arrangements atomiques spécifiques (effet Hall ‘cristallin’, CHE). Les AFs, parce qu’ils présentent une large palette de structures de spins, constituent des systèmes modèles pour étudier ces différents mécanismes, ainsi que leurs équivalents Nernst thermiques, résultant de l'interaction de leurs structures de bandes et de spins.
Il est à noter que le CHE n’a pas encore été mis en évidence expérimentalement, et que la physique du CNE n'a pas encore été abordée. L’étude exhaustive de ces nouveaux effets sera un point essentiel de notre proposition. Une autre caractéristique clé du projet réside dans le choix du matériau (Mn5Si3) qui servira de système modèle pour étudier les mécanismes ci-dessus. La particularité principale de ce matériau est liée à la présence d’une transition de phase métamagnétique entre structures de spins ordonnées chirale en dessous de 65K et colinéaire au-dessus. Cette spécificité sera utilisée, par exemple, pour démontrer et contrôler les contributions relatives du CHE et du THE, ainsi que celles de leurs équivalents thermiques. Cette approche, basée sur l'étude systématique d'un système modèle, est essentielle pour démêler les origines des réponses de Hall et de Nernst. Le programme de recherche proposé répond donc au besoin de nouvelles connaissances et de nouveaux modèles expérimentaux qui sont essentiels pour mieux comprendre, démêler et tirer profit de ces effets.
Les principaux objectifs de ce programme sont les suivants :
- produire des couches minces de Mn5Si3 de haute qualité cristalline ;
- observer expérimentalement et modéliser théoriquement les effets CHE, THE et autres effets Hall et Nernst dans le Mn5Si3 avec différentes structures de spin, orientations cristallines et déformations élastiques non triviales ;
- tester la validité et l'universalité supposées de la relation Mott entre le transport de charge et le transport thermique dans les AFs possédant une structure de spins non triviale ;
- étudier l'impact sur le SHE inverse des fluctuations de spin non linéaires près des transitions de phase magnétique, et exploiter cet effet pour sonder les variations des paramètres d'ordre magnétique.