Carte vectorielle magnétique (champ de vision 50 µm) décrivant l'aimantation d'un film de Ni lors de l'application de 50 V à travers le substrat ferroélectrique de PMN-PT. La roue chromatique identifie la direction de magnétisation. Le jaune et le marron désignent les régions dont la magnétisation n'a pas été affectée par la tension. Crédit :Source de lumière diamant
La haute résolution et la richesse des données fournies par une expérience à Diamond peuvent conduire à des découvertes inattendues. Les propriétés piézoélectriques de la pérovskite céramique PMN-PT (0.68Pb(Mg
Leur travail, récemment publié dans Matériaux naturels , montre que la commutation de domaine ferroélectrique a fait tourner les domaines magnétiques dans le film de considérablement moins de 90° en raison d'une contrainte de cisaillement qui l'accompagne. Les résultats offrent à la fois un défi et une opportunité pour la conception de dispositifs de stockage de données de nouvelle génération, et sera sûrement pertinent si le travail est étendu pour explorer la manipulation électrique de textures magnétiques plus complexes.
Certains matériaux solides développent une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Cet effet piézoélectrique signifie que certains cristaux peuvent être utilisés pour convertir l'énergie mécanique en électricité ou vice-versa, et les matériaux piézoélectriques sont utilisés dans une variété de technologies, y compris la mise au point automatique des caméras dans les téléphones portables. Pour ces applications, la contrainte varie en continu avec la tension appliquée, mais le cyclage de la tension appliquée peut conduire à des changements de contrainte discontinus dus à la commutation de domaine ferroélectrique. Ces changements de contrainte discontinus peuvent être utilisés pour entraîner une commutation magnétique dans un film de ferromagment mince, de telle sorte que les données puissent être écrites électriquement, et stockées magnétiquement.
Lorsqu'une équipe internationale de chercheurs est venue à Diamond pour étudier cet effet, ils ont utilisé la microscopie électronique à photoémission (PEEM) combinée au dichroïsme magnétique circulaire à rayons X (XMCD) pour fournir un contraste magnétique. Ils utilisaient un film ferromagnétique de nickel comme jauge de contrainte sensible pour le monocristal PMN-PT, tout en faisant varier la tension aux bornes du cristal. Les mesures microscopiques impliquaient de combiner deux images XMCD-PEEM pour former une carte vectorielle magnétique.
A première vue, ces mesures microscopiques ont montré ce que l'équipe s'attendait à voir :des domaines magnétiques qui ont apparemment tourné de 90 ° en raison de la commutation de domaine ferroélectrique. Les mesures magnétiques macroscopiques effectuées à l'aide de la magnétométrie d'échantillons vibrants ont conduit à la même conclusion. Cependant, les données haute résolution de Diamond ont offert l'opportunité de creuser un peu plus profondément.
Pour le professeur Neil Mathur de l'Université de Cambridge, y regarder de plus près semblait évident. "Les données nous ont permis de faire une comparaison pixel par pixel des images, et j'ai senti que nous devrions le faire, simplement parce que nous le pouvions."
De façon inattendue, la comparaison pixel par pixel a révélé que les angles de commutation magnétique étaient généralement bien inférieurs à 90°. Cela pourrait être facilement expliqué en incluant un composant de cisaillement, prédit à partir de la géométrie des mailles unitaires PMN-PT.
Il semble que les chercheurs aient simplifié à l'excès la réponse magnétoélectrique des hétérostructures à base de PMN-PT depuis des années, mais il est facile de comprendre pourquoi. Les mesures macroscopiques font la moyenne des rotations du domaine magnétique dans le sens horaire et antihoraire, annuler la signature magnétique des composants de cisaillement. L'analyse des mesures microscopiques est normalement effectuée avec une roue chromatique, ce qui permet de voir facilement si les domaines magnétiques sont orientés haut/bas ou droite/gauche, mais chaque couleur que nous percevons couvre un large éventail d'angles, masquant la vérité.
Défis et opportunités
Cette nouvelle découverte devrait être applicable à des matériaux similaires, et offre à la fois un défi et une opportunité pour le développement et la miniaturisation de dispositifs basés sur des matériaux magnétoélectriques.
Le professeur Mathur explique :« Notre découverte signifie que ces systèmes vont se comporter différemment de ce à quoi on s'attendrait à l'origine après la miniaturisation. Ce sera un défi pour les concepteurs d'appareils, mais il y a aussi une énorme opportunité ici, car cela signifie que deux ensembles de données peuvent être écrits sur le même appareil avec des champs magnétiques et électriques, doublant ainsi la densité de stockage."
Dans le futur, Le professeur Mathur pense qu'il deviendra normal de considérer la contrainte de cisaillement qui se produit lorsque des domaines ferroélectriques à faible symétrie subissent une commutation.
L'équipe poursuit désormais ses travaux en s'intéressant à des textures magnétiques plus complexes, comme les skyrmions. Ils veulent étudier comment ces objets complexes peuvent être détruits, créé et modifié par une contrainte électrique, et s'ils peuvent créer des textures magnétiques qui n'ont tout simplement pas été vues auparavant.
