DYMAGE — Effets magnéto-électriques dynamiques : études expérimentale et théorique des excitations hybrides

Récemment, la communauté des sciences des matériaux s’est particulièrement intéressée (i) à l’effet magnétoélectrique décrivant le couplage entre propriétés électriques et magnétiques, (ii) aux composés dits multiferroïques, présentant, le plus souvent, des ordres électriques et magnétiques qui peuvent apparaître simultanément ou bien successivement. L’effet magnétoélectrique dynamique, dont l’interprétation reste inachevée, a pu être détecté sous forme d’excitations couplées spin/réseau appelées électromagnons, ceci dans quelques composés multiferroïques/magnétoélectriques. Une motivation importante pour ce type d’études vient du projet d’utiliser les excitations magnétiques en tant que vecteurs d’information ouvrant ainsi la voie vers la « magnonique ». Il est cependant nécessaire de maîtriser les mécanismes fondamentaux avant de développer une stratégie efficace pour l’optimisation de matériaux dédiés aux applications. Le projet DYMAGE portera sur les effets magnétoélectriques dynamiques, dans leur description à la fois expérimentale et théorique. Pour cela, seront rassemblées dans ce projet des équipes scientifiques déjà très actives sur le sujet avec des compétences complémentaires, y compris en théorie, et combinant une large palette d’outils expérimentaux. Concrètement, plusieurs approches sont proposées: (1) l’utilisation de techniques spectroscopiques complémentaires qui feront l’objet de développements techniques : la spectroscopie synchrotron TeraHertz qui sonde l’interaction de la matière avec une onde électromagnétique ; la diffraction neutronique qui est particulièrement bien adaptée pour identifier les phonons et les magnons ainsi que leurs corrélations et leur dispersion. (2) l’étude des effets dynamiques en présence de paramètres extérieurs comme les champs magnétique et électrique statiques; la possibilité de générer des excitations hybrides dans des composés magnétiques non ferroélectriques grâce à l’application d’un champ électrique statique est particulièrement intéressante, ainsi que, plus généralement, l’impact de ces paramètres sur les ondes de spins et les vibrations du réseau. (3) une forte contribution des théoriciens, pour la prospection, l’identification et la prédiction des propriétés dynamiques dans des nouvelles classes de composés, en particulier non ferroélectriques, sur lesquels porteront les études expérimentales (1) et (2). L’implication des théoriciens sera aussi nécessaire pour l’interprétation des résultats obtenus avec les différentes techniques expérimentales. Parmi les composés potentiellement intéressants à étudier, nous considèrerons les manganites hexagonaux RMnO3 où des électromagnons semblent avoir été détectés ; le langasite au fer où un nouveau type d'excitations hybrides vient d'être mis en évidence; les composés ferrotoroïdiques / magnétoélectriques dans lesquels il pourrait y avoir des effets magnétoélectriques dynamiques spécifiques. C’est le cas de plusieurs composés à structure en nid d’abeille à base de métaux de transition, comme MnPS3 qui a été identifié comme ferrotoroïdique, ou les composés magnétoélectriques de la famille BaM2(XO4)2 (M=Co, Ni et X=P, As, V) et encore l’oxyde Na3Co2SbO6 également potentiellement ferrotoroïdique. La synthèse des échantillons et leurs caractérisations est, bien entendu, une étape préliminaire indispensable et se fera grâce aux équipements déjà existant dans les quatre laboratoires impliqués. Les études proposées dans ce projet devraient permettre de décrire sans ambiguïté les excitations hybrides, et les règles de sélection auxquelles elles obéissent suivant les sondes expérimentales. Notre but ultime est de comprendre les mécanismes microscopiques mis en jeu et de contribuer ainsi de manière significative à l’activité magnonique émergente.