Textures antiferromagnétiques dans BiFeO3 contrôlées par la contrainte et le champ électrique

A. Haykal et al, Nature Communications 11, 1704 (2020).

Ce travail résulte de la collaboration entre le Laboratoire Charles Coulomb à Montpellier, France, l'Unité Mixte de Physique CNRS/Thales à Palaiseau, France, le SPEC à Gif-sur-Yvette, France, l'Université de Nouvelle Galles du Sud à Sydney, Australie, l'Université de Twente à Enschede, Pays-Bas et le synchrotron SOLEIL à Gif-sur-Yvette, France.

Nous avons étudié des films minces de ferrite de bismuth (ou plus court BFO) avec une contrainte épitaxiale variable. En effet, BFO est un matériau antiferromagnétique qui possède également une polarisation électrique (un multiferroïque et le couplage entre les états magnétique et électrique dépend de la contrainte. Ce mécanisme pourrait par conséquent fournir une solution pour le contrôle à faible consommation énergétique des états antiferromagnétiques.

Nous avons préparé une série de films de BFO subissant des contraintes variées en changeant le substrat de croissance et avons ensuite utilisé une combinaison de plusieurs techniques expérimentales pour caractériser et manipuler leurs états magnétique et électriques :

Diagramme de phase obtenu des films de BFO. La rangée d'images supérieure montre l'état ferroélectrique mesuré en PFM tandis que la rangée inférieure montre des cartes de champ magnétique mesurées en magnétométrie NV.

Nos données révèlent la présence de deux types de cycloïdes qui modulent l'ordre antiferromagnétique. Lorsque la contrainte est faible, on retrouve la même cycloïde dans les cristaux massifs de BFO mais lorsqu'elle augmente, un second type de cycloïde qui se propage le long d'une autre direction est stabilisée. Quand la contrainte devient trop grande, la cycloïde disparaît et il reste seulement des domaines antiferromagnétiques. Cette observation de types de cycloïdes, la cycloïde habituelle et un type exotique est confirmée par des mesures de diffraction résonante des rayons X.

Strain-dependent phase diagram of BFO films in written ferroelectric domains.

Pour aller plus loin, nous avons utilisé la pointe du PFM pour écrire des monodomaines ferroélectriques. Nos mesures en magnétométrie NV montrent que la cycloïde peut être stabilisée ou bien son type modifié par cette procédure, ce qui démontre qu'un contrôle efficace de la cycloïde magnétique peut être réalisé électriquement.