Axe principal: EMQ Axes secondaires : Spectroscopie des Quasi Particules (SQUAP) http://www.mpq.univ-paris7.fr/spip.php?rubrique38 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 [email protected] Membres permanents de l’équipe : Maximilien Cazayous [email protected] Yann Gallais [email protected] Marie Aude Méasson [email protected] _________________________________________________________________________ • 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 BiFeO3 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 BiFeO3, 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 BiFeO3 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 BiFeO3 [1,2,3] aux multiferroïques frustrés comme TbMnO3[4] ou CuFeO2. 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 BiFeO3,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 TbMnO3 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, NbSe2 et MoS2 monocouche. Notre intérêt se porte ici sur le composé lamellaire de dichalcogénides tel NbSe2 . La famille des dichalcogénides massifs (3D) tel NbSe2 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 déterminer3,4. Le composé NbSe2exfolié, 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 NbSe2 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 quantique1,2,3,4. 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 suspendus5,6,7. 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 6 7 A. Chepelianskii et al. Phys. Rev. B 79, 235418 (2009) N. Trombos et al. arXiv 1009.4213 (2010) M. Pollini et al. axXiv 0901.458 (2009)