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Science et ingénierie des matériaux et des procédés
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Remettre du sens dans l'interaction d'échange

Publié le 25 octobre 2017
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25 octobre 2017

Physical Review Letters: Band Filling Control of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction in Weakly Ferromagnetic Insulators

Atomic and magnetic order in weak ferromagnets

Atomic and magnetic order in weak ferromagnets

L’interaction d’échange, qui gouverne l’alignement mutuel des spins à l’échelle atomique, ne favorise pas toujours une structure où tous les spins sont parallèles ou antiparallèles les uns aux autres. En effet, elle comprend un terme, connu sous le nom d’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya, qui permet une plus grande complexité en détournant légèrement les spins de leur axe principal. Cette « torsion magnétique » est à l’origine de la multiferroïcité et des skyrmions, deux phénomènes magnétiques très étudiés à la fois pour leur intérêt fondamental et leurs possibles applications aux technologies de l’information.

Or, bien qu’elle ait été découverte il y a déjà un demi-siècle, on a encore bien du mal à la caractériser. En particulier, son signe, qui détermine le sens de la torsion des spins, et qui dépend des matériaux, est longtemps resté un mystère, empêchant les chercheurs de mettre en relation les valeurs absolues pour construire une théorie microscopique.

Cette information cruciale vient d’être retrouvée, par une équipe internationale dont fait partie Guillaume Beutier, du SIMAP. Pour mesurer le signe de la torsion magnétique, qui est cachée dans les mesures de diffraction, les chercheurs ont mis au point une méthode calquée sur les principes de l’holographie, où l’on fait interférer deux ondes : l’une mesure la structure atomique, indépendante de l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya, et l’autre mesure la structure magnétique, qui en dépend. Le signe de l’interférence renseigne donc sur le signe de l’interaction.

En étudiant une série de cristaux dont l’élément magnétique suit une progression régulière dans la table périodique des éléments, ils ont mis en évidence un soudain retournement de la torsion magnétique, en accord avec les prévisions des calculs atomistiques.

Cette mesure a permis de proposer un modèle microscopique de l’interaction. Les chercheurs sont confiants que cette avancée permettra de mieux maîtriser cette interaction dans d’autres classes de matériaux, tels que les multiferroïques et les skyrmions.

Les résultats de cette étude ont été publié dans Physical Review Letters et ont été choisis pour la sélection éditoriale de la revue :
Band Filling Control of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction in Weakly Ferromagnetic Insulators
G. Beutier, S. P. Collins, O. V. Dimitrova, V. E. Dmitrienko, M. I. Katsnelson, Y. O. Kvashnin, A. I. Lichtenstein, V. V. Mazurenko, A. G. A. Nisbet, E. N. Ovchinnikova, and D. Pincini
Phys. Rev. Lett. 119, 167201
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.167201
 

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mise à jour le 1 mars 2019

Univ. Grenoble Alpes