Spectroscopie des Quasi Particules (SQUAP)

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Spectroscopie des Quasi Particules (SQUAP)
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Laboratoire
Matériaux et Phénomènes Quantiques 1à rue Alice Domon et Léonie Duquet 75013 Paris
+
http://www.mpq.univ-paris7.fr
Contact C’nano de l’équipe
Sacuto Alain
Responsable d’équipe :
Sacuto Alain
[e-mail]
Membres permanents de l’équipe :
Maximilien Cazayous
maximilien[email protected]
Yann Gallais
[e-mail]
Marie Aude Méasson
[e-mail]
_________________________________________________________________________
• Activités scientifiques de l’équipe :
Etude par diffusion inélastique de la lumière (effet Raman) des excitations élémentaires de la
matière dans les matériaux qui présentent des ordres en forte interaction et/ou en
compétition. Les recherchescouvrentles études des oxydes multiferroïques, des oxydes
supraconducteurs et des matériaux bidimensionnels à propriétés électroniques
remarquables. Plus précisément, nos récents travaux portent sur le contrôle des ondes de
densité de spin par un champ électrique dans les multiferroiques, la compréhension de la
dépendencede la température critique en fonction du nombre de porteurs dans les cuprates,
la coexistence d’un ordre magnétique et supraconducteur dans les pnictures, l’effet de l’onde
de densité de charge sur la supraconductivité dans les dichalcogénuresetl’effet Hall
quantique dans le graphène.

• Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des
nanosciences :
Titre du résultat 1Electric-field control of spin waves at room temperature in multiferroic BiFeO
3
Ce sujet de recherche
est centré autour d’une
famille de composés dans lesquels les ordres
ferroélectrique et magnétique coexistent. Ces
composés, dits multiferroiques, sont l’objet d’un
intense effort de recherche car ils montrent des
effets magneto-électriquesexhaltés. Les
multiferroïques sont de sérieux candidats pour la
manipulation des états de spin avec des champs
électriques ainsi que la modification des
propriétés diélectriques avec un champ
magnétique. Ces possibilités ouvrent la voie à un
large champ d’applications dans le domaine
émergeant de la spintronique.
Plus précisément nos derniers travaux sont
centrés sur le composé BiFeO3 [1, 2].La réduction
de la taille des transistors dans le domaine
nanométrique se heurte à des problèmes de
fabrication et de fonctionnement avec
l'apparition de nouveaux phénomènes
quantiques. Pour appréhender cette nouvelle
physique à l'échelle nanométrique dans les
technologies CMOS
(ComplementaryMetalOxideSemiconductor), de
nouvelles solutions pour le codage de
l'information doivent être développées. La
magnonique (dérivée de magnon qui est une
excitation collective des spins) est une approche
originale de l'électronique de spin (spintronique)
qui se propose d'utiliser les ondes de spins pour
transporter et traiter l'information, par analogie
aux photons et aux ondes électromagnétiques.
La magnonique a l'avantage de fonctionner dans
le Thz et d'être couplée à la spintronique. Comme
pour la spintronique, l'un des enjeux majeurs de
la magnonique est l'utilisation de faibles
puissances pour contrôler et écrire l'information
(obtenus par l'application d'un champ
magnétique ou par un transfert de spin via un fort
courant de spin polarisé). Les multiferroïques sont
des matériaux très prometteurs pour pallier à
cette difficulté. En effet, ils possèdent
simultanément un ordre ferroélectrique et un
ordre magnétique qui dans certains cas
interagissent. Une telle interaction offre
l'opportunité de contrôler les spins via un champ

électrique et la polarisation via un champ
magnétique.
En collaboration avec le CEA Saclay (SPEC) et
l'unité mixte de Physique CNRS/Thales nous avons
montré que dans le composé BiFeO
3
, un
multiferroïque à température ambiante, la
fréquence des ondes de spins (>600 GHz) peut
être modifiée électriquement de plus de 30% de
façon non volatile et sans dissipation de
puissance. Les calculs théoriques à l'appui de ce
travail indiquent que cet effet provient d'un
couplage magnéto-électrique linéaire relatif au
couplage spin-orbite induit par le champ
électrique appliqué. De telles propriétés font de
BiFeO
3
un matériau très prometteur pour la
génération d'ondes de spin, leur conversion et
leur contrôle dans les futurs dispositifs
magnoniques.
Titre du résultat 2
IMAGE
+
Copyright et légende Description des recherches et des résultats obtenus
Titre du résultat 3
IMAGE
+
Copyright et légende Description des recherches et des résultats obtenus
• Programme de recherche :
Multiferroïques :
Le sujet de recherche se focalise sur l’étude de plusieurs multiferroïques, tous des oxydes, par
diffusion inélastique de la lumière (ou diffusion Raman). La capacité de la sonde Raman à donner
des informations sur les mécanismes microscopiques des effets magnéto-electriquesest
exploitée en la combinant avec des paramètres externes comme les champs magnétique et
électrique mais aussi la pression hydrostatique. Le but de ces paramètres externes est de
modifier simultanément et/ou indépendamment, les ordres magnétique et ferroélectrique afin
d’en étudier l’impact sur les excitations de spin et de réseau. Les matériaux étudiés vont du
composé multiferroïque BiFeO
3
[1,2,3] aux multiferroïques frustrés comme TbMnO
3
[4] ou
CuFeO
2
. Leurs diagrammes de phase magnétique et ferroélectrique en fonction de la

température, du champ magnétique et de la pression sont explorés. Le caractère
potentiellement unificateur du concept d’électromagnon est évalué à la lumière des théories
récentes l’effet magnéto-électrique dans les multiferroïques.
• Références :
[1] Possible observation of cycloidalelectromagnons in BiFeO
3
,M. Cazayous, Y. Gallais, A.
Sacuto, R. de Sousa, D. Lebeugle, and D. Colson, Phys. Rev. Lett. 101, 037601 (2008).
[2] P. Rovillain, R. de Sousa, Y. Gallais, A. Sacuto, M. A. Méasson, D. Colson, M. Bibes, A. Barthélémy,
and M. Cazayous, Nature Materials 9, 975 (2010).
[3]Polar phonons and spin excitation coupling in multiferroic BiFeO3 crystals,P. Rovillain, M.
Cazayous, A. Sacuto, R. Lobo, D. Lebeugle, D. Colson, Phys. Rev. B79, 180411(R)(2009).
[4] Magneto-electric excitations in multiferroic TbMnO
3
by Raman scattering, P. Rovillain, M.
Cazayous, Y. Gallais, A. Sacuto, M-A. Measson, and H. Sakata, Phys. Rev. B. 81, 054428
(2010).
Les ordres électroniques bidimensionnels:
La possibilité de synthétiser des matériaux 2D à partir de composés lamellaires a ouvert, avec le
graphène, un large champ d’investigation, à la fois de recherche sur les propriétés fondamentales
(effet hall quantique fractionnaire) mais également dans les applications (nanoélectronique de
carbone, écran tactile à base de graphène). Déjà en 2005, Novoselov et al.
1
montrait la stabilité des
cristaux 2D tels que le graphène, NbSe
2
et MoS
2
monocouche. Notre intérêt se porte ici sur le
composé lamellaire de dichalcogénides tel NbSe
2
.
La famille des dichalcogénides massifs (3D) tel NbSe
2
présente des ordres électroniques coexistant,
une onde de densité de charge (ODC) et une phase supraconductrice. La nature de leur interaction
(compétition, précurseur) reste à déterminer
3,4
. Le composé NbSe
2
exfolié, monocouche offre une
opportunité unique d’étudier ces deux ordres à basse dimension (l’ODC n’a jamais été étudiée en 2D)
ainsi que leur interaction. De surcroit, la possibilité d’appliquer une tension de grille pour contrôler la
densité de porteurs dans NbSe
2
et modifier le couplage électron-phonon ouvre de nouvelles
possibilités d’agir sur les deux ordres. Nous souhaitons donc étudier l’effet de la dimensionnalité sur
l’ODC et la supraconductivité et leur interaction par spectroscopie Raman.
1
K. S. Novoselov, et al. PNAS 102, 10451 (2005)
2
Morosan et al.NaturePhysics 2, 544 (2006)
3
Inosov et al., New Journal of Physics 10 125027 (2008).
4
Borisenko et al., Phy. Rev. Lett. 102, 166402 (2009).

Spectroscopie des excitations collectives du graphène sous champ magnétique
Jusqu'à présent, et malgré de nombreuses études théoriques montrant la possibilité de phases
électroniques exotiques dans le graphène, les interactions électroniques restent peu explorées
expérimentalement. Les expériences de transmission infrarouge par exemple peuvent être pour la
plupart interprétées par des modèles d’électrons (quasi)-libres ayant une dispersion linéaire et une
dégénérescence de vallée. Si l’effet Hall quantique fractionnaire a été récemment observé, les effets
de l’interaction d’échange sur les phases électroniques et les excitations collectives du graphène n’ont
pas encore été révélés.
Le projet de l’équipe SQUAP s’articule autour de l’utilisation de la diffusion Raman sous champ
magnétique pour sonder les excitations collectives électroniques et leur couplage avec les modes de
vibrations dans le régime de l’effet Hall quantique
1,2,3,4
. L’équipe porteuse du projet possède déjà une
expertise reconnue dans le domaine de la diffusion Raman électronique, que ce soit dans les
supraconducteurs ou les gaz d’électrons 2D. Le projet possède 2 volets principaux: l’obtention et la
caractérisation de couches de graphène suspendues de haute mobilité puis leur étude par diffusion
Raman sous champ magnétique. L’équipe porteuse bénéficiera de la collaboration avec l’équipe Méso
du LPS (Bouchiat-Guéron) pour l’élaboration et l’optimisation des échantillons de graphène
suspendus
5,6,7
. Elle bénéficiera également de son expertise en fabrication pour la mise en place de
contacts permettant le contrôle du dopage du graphène par une tension de grille. La partie
spectroscopie est déjà bien avancée avec l’acquisition récente d’une bobine split de 10 Tesla avec un
grande angle de collection (f#=2.5) permettant notamment une meilleure détection de petits signaux.
Des mesures préliminaires ont déjà permis l'observation de modes de type cyclotron dans le
graphène à la surface du graphite.
1
K.I. Bolotin et al., Solid State Comm. 146, 351 (2008)
2
C. Kallin et B.H. Halperin, Phys. Rev. B 30, 5655 (1984)
3
A. Pinczuk et al., Phys. Rev. Lett. 68, 3623 (1992), Y. Gallais et al., Phys. Rev. Lett. 97, 036804 (2006)
4
R. Roldan et al. Phys. Rev. B 80, 085408 (2009)
5
A. Chepelianskii et al. Phys. Rev. B 79, 235418 (2009)
6
N. Trombos et al. arXiv 1009.4213 (2010)
7
M. Pollini et al. axXiv 0901.458 (2009)