Multiferroïques

Les multiferroïques sont définis comme des matériaux qui présentent plus d'une des propriétés ferroïques primaires dans la même phase :

• ferromagnétisme – une magnétisation commutable par un champ magnétique appliqué
• ferroélectricité – une polarisation électrique commutable par un champ électrique appliqué
• ferroélasticité – une déformation commutable par une contrainte appliquée

Bien que les ferroélastiques ferroélectriques et les ferroélastiques ferromagnétiques soient formellement multiferroïques, le terme est aujourd'hui généralement utilisé pour décrire les multiferroïques magnétoélectriques qui sont simultanément ferromagnétiques et ferroélectriques. Parfois, la définition est élargie pour inclure des paramètres d'ordre non primaire, tels que l'antiferromagnétisme ou le ferrimagnétisme . De plus, d'autres types d'ordre primaire, tels que les arrangements ferroïques de multipôles magnétoélectriques dont la ferrotoroïdicité est un exemple, ont été proposés.

Outre l'intérêt scientifique que présentent leurs propriétés physiques, les multiferroïques présentent un potentiel d'application en tant qu'actionneurs, commutateurs, capteurs de champ magnétique et nouveaux types de dispositifs de mémoire électronique.

Une recherche sur le Web of Science pour le terme multiferroïque donne l'article de l'année 2000 "Pourquoi y a-t-il si peu de ferroélectriques magnétiques ?" de NA Spaldin (alors Hill) comme premier résultat. Ce travail explique l'origine de la contre-indication entre le magnétisme et la ferroélectricité et propose des voies pratiques pour la contourner, et est largement crédité d'avoir déclenché l'explosion moderne de l'intérêt pour les matériaux multiferroïques. La disponibilité de voies pratiques pour créer des matériaux multiferroïques à partir de 2000 a stimulé une activité intense. Les premiers travaux particulièrement importants ont été la découverte d'une polarisation ferroélectrique importante dans des films minces de BiFeO ₃ magnétiques développés par épitaxie , l'observation que l'ordre magnétique non colinéaire dans TbMnO _{3 orthorhombique} et TbMn ₂ O ₅ provoque la ferroélectricité, et l'identification d'une ferroélectricité impropre inhabituelle qui est compatible avec la coexistence du magnétisme dans la manganite hexagonale YMnO ₃ . Le graphique à droite montre en rouge le nombre d’articles sur les multiferroïques issus d’une recherche sur Web of Science jusqu’en 2008 ; l’augmentation exponentielle se poursuit aujourd’hui.

Pour replacer les matériaux multiferroïques dans leur contexte historique approprié, il faut également prendre en compte les matériaux magnétoélectriques , dans lesquels un champ électrique modifie les propriétés magnétiques et vice versa. Bien que les matériaux magnétoélectriques ne soient pas nécessairement multiferroïques, tous les matériaux ferroélectriques multiferroïques ferromagnétiques sont des matériaux magnétoélectriques linéaires, dans lesquels un champ électrique appliqué induit un changement de magnétisation linéairement proportionnel à son amplitude. Les matériaux magnétoélectriques et l'effet magnétoélectrique correspondant ont une histoire plus longue que les matériaux multiferroïques, comme le montre le graphique de droite en bleu. Français La première mention connue de la magnétoélectricité se trouve dans l'édition de 1959 de l'ouvrage de Landau et Lifshitz Electrodynamics of Continuous Media, qui contient le commentaire suivant à la fin de la section sur la piézoélectricité : « Signalons deux autres phénomènes qui, en principe, pourraient exister. L'un est le piézomagnétisme, qui consiste en un couplage linéaire entre un champ magnétique dans un solide et une déformation (analogue à la piézoélectricité). L'autre est un couplage linéaire entre des champs magnétique et électrique dans un milieu, qui provoquerait, par exemple, une aimantation proportionnelle à un champ électrique. Ces deux phénomènes pourraient exister pour certaines classes de symétrie magnétocristalline. Nous n'examinerons cependant pas ces phénomènes plus en détail car il semble que jusqu'à présent, vraisemblablement, ils n'aient été observés dans aucune substance. » Un an plus tard, IE Dzyaloshinskii a montré en utilisant des arguments de symétrie que le matériau Cr ₂ O ₃ devrait avoir un comportement magnétoélectrique linéaire, et sa prédiction a été rapidement vérifiée par D. Astrov. Au cours des décennies suivantes, les recherches sur les matériaux magnétoélectriques se sont poursuivies de manière constante dans un certain nombre de groupes en Europe, en particulier dans l'ex-Union soviétique et dans le groupe de H. Schmid à l'Université de Genève. Une série de conférences Est-Ouest intitulées Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals (MEIPIC) a eu lieu entre 1973 (à Seattle) et 2009 (à Santa Barbara), et le terme « magnétoélectrique multiferroïque » a d'ailleurs été utilisé pour la première fois par H. Schmid dans les actes de la conférence MEIPIC de 1993 (à Ascona).

Pour être défini comme ferroélectrique, un matériau doit avoir une polarisation électrique spontanée commutable par un champ électrique appliqué. Habituellement, une telle polarisation électrique se produit via une distorsion structurelle de rupture de symétrie d'inversion d'une phase centrosymétrique parente. Par exemple, dans le titanate de baryum ferroélectrique prototype, BaTiO ₃ , la phase parente est la structure perovskite cubique ABO ₃ idéale , avec l'ion Ti ⁴⁺ du site B au centre de son octaèdre de coordination de l'oxygène et aucune polarisation électrique. Dans la phase ferroélectrique, l'ion Ti ⁴⁺ est décalé du centre de l'octaèdre provoquant une polarisation. Un tel déplacement n'a tendance à être favorable que lorsque le cation du site B a une configuration électronique avec une couche d vide (une configuration dite d ⁰ ), ce qui favorise la formation de liaisons covalentes à faible énergie entre le cation du site B et les anions oxygène voisins.

Cette exigence de « d0-ness » constitue un obstacle évident à la formation de multiferroïques, car le magnétisme de la plupart des oxydes de métaux de transition provient de la présence de couches d de métaux de transition partiellement remplies . Par conséquent, dans la plupart des multiferroïques, la ferroélectricité a une origine différente. Ce qui suit décrit les mécanismes connus pour contourner cette contre-indication entre le ferromagnétisme et la ferroélectricité.

Dans les matériaux multiferroïques actifs à doublet non liant, le déplacement ferroélectrique est provoqué par le cation du site A, et le magnétisme provient d'une couche d partiellement remplie sur le site B. Les exemples incluent la ferrite de bismuth , BiFeO3 _, [ _BiMnO3 ( bien que l'on pense que ce dernier soit antipolaire), et PbVO3 _. [ Dans ces matériaux, le cation du site A (Bi3 ⁺ , Pb2 ^{+ ) possède une paire non liant d'} électrons 6s2 dite stéréochimiquement active , et le décentrage du cation du site A est favorisé par un partage d'électrons à faible énergie entre les orbitales 6p du site A formellement vides et les orbitales O2p remplies .

Dans les ferroélectriques géométriques, la force motrice de la transition de phase structurelle conduisant à l'état ferroélectrique polaire est une distorsion rotationnelle des polyèdres plutôt qu'une formation de liaison covalente de partage d'électrons. De telles distorsions rotationnelles se produisent dans de nombreux oxydes de métaux de transition ; dans les perovskites par exemple, elles sont courantes lorsque le cation du site A est petit, de sorte que les octaèdres d'oxygène s'effondrent autour de lui. Dans les perovskites, la connectivité tridimensionnelle des polyèdres signifie qu'aucune polarisation nette n'en résulte ; si un octaèdre tourne vers la droite, son voisin connecté tourne vers la gauche et ainsi de suite. Dans les matériaux feuilletés, cependant, de telles rotations peuvent conduire à une polarisation nette.

Les ferroélectriques géométriques prototypiques sont les fluorures de métaux de transition de baryum en couches, BaMF ₄ , M=Mn, Fe, Co, Ni, Zn, qui ont une transition ferroélectrique à environ 1000 K et une transition magnétique vers un état antiferromagnétique à environ 50 K. Étant donné que la distorsion n'est pas provoquée par une hybridation entre le cation du site d et les anions, elle est compatible avec l'existence d'un magnétisme sur le site B, permettant ainsi un comportement multiferroïque.

Un deuxième exemple est fourni par la famille des manganites de terres rares hexagonales (h- R MnO ₃ avec R = Ho-Lu, Y), qui présentent une transition de phase structurelle à environ 1300 K consistant principalement en une inclinaison des bipyramides MnO _{5 .} Bien que l'inclinaison elle-même ait une polarisation nulle, elle se couple à une ondulation polaire des couches d'ions R qui produit une polarisation d'environ 6 μC/cm ² . Étant donné que la ferroélectricité n'est pas le paramètre d'ordre principal, elle est décrite comme impropre . La phase multiferroïque est atteinte à environ 100 K lorsqu'un ordre antiferromagnétique triangulaire dû à la frustration de spin apparaît.

L'ordre de charge peut se produire dans les composés contenant des ions de valence mixte lorsque les électrons, qui sont délocalisés à haute température, se localisent selon un motif ordonné sur différents sites de cations de sorte que le matériau devient isolant. Lorsque le motif des électrons localisés est polaire, l'état ordonné de charge est ferroélectrique. Habituellement, les ions dans un tel cas sont magnétiques et donc l'état ferroélectrique est également multiferroïque. Le premier exemple proposé d'un état multiferroïque ordonné de charge était LuFe ₂ O ₄ , qui ordonne la charge à 330 K avec un arrangement d' ions Fe ²⁺ et Fe ^{3+ .} L'ordre ferrimagnétique se produit en dessous de 240 K. Cependant, le fait que l'ordre de charge soit polaire ou non a récemment été remis en question. De plus, une ferroélectricité ordonnée de charge est suggérée dans la magnétite, Fe ₃ O ₄ , en dessous de sa transition de Verwey, et (Pr,Ca)MnO ₃ .

Dans les multiferroïques à entraînement magnétique la polarisation électrique macroscopique est induite par un ordre magnétique à longue portée qui est non centrosymétrique. Formellement, la polarisation électrique, , est donnée en termes de magnétisation, , par

Comme les ferroélectriques géométriques discutés ci-dessus, la ferroélectricité est impropre, car la polarisation n'est pas le paramètre d'ordre principal (dans ce cas, l'ordre principal est la magnétisation) pour la transition de phase ferroïque.

Français L'exemple prototypique est la formation de l'état spiral magnétique non centrosymétrique, accompagné d'une petite polarisation ferroélectrique, en dessous de 28 K dans TbMnO ₃ . Dans ce cas, la polarisation est faible, 10 ⁻² μC/cm ² , car le mécanisme couplant la structure de spin non centrosymétrique au réseau cristallin est le couplage spin-orbite faible. Des polarisations plus importantes se produisent lorsque l'ordre magnétique non centrosymétrique est causé par l'interaction de superéchange plus forte, comme dans HoMnO ₃ orthorhombique et les matériaux apparentés. Dans les deux cas, le couplage magnétoélectrique est fort car la ferroélectricité est directement causée par l'ordre magnétique.

Bien que la plupart des multiferroïques magnétoélectriques développés à ce jour aient un magnétisme classique des électrons d des métaux de transition et un nouveau mécanisme pour la ferroélectricité, il est également possible d'introduire un autre type de magnétisme dans un ferroélectrique classique. La voie la plus évidente consiste à utiliser un ion de terre rare avec une couche partiellement remplie d' électrons f sur le site A. Un exemple est EuTiO ₃ qui, bien que non ferroélectrique dans les conditions ambiantes, le devient lorsqu'il est légèrement contraint, ou lorsque sa constante de réseau est augmentée, par exemple en remplaçant un peu de baryum sur le site A.

Il reste difficile de développer de bons matériaux multiferroïques monophasés avec une grande magnétisation et une grande polarisation et un fort couplage entre eux à température ambiante. Par conséquent, les composites combinant des matériaux magnétiques, tels que FeRh, avec des matériaux ferroélectriques, tels que PMN-PT, constituent une voie attrayante et établie pour obtenir la multiferroïcité. Parmi les exemples, citons les films minces magnétiques sur des substrats PMN-PT piézoélectriques et les structures tricouches Metglass/PVDF/Metglass. ₃ ferroélectrique et antiferromagnétique alternant avec LuFe ₂ O ₄ ferrimagnétique mais non polaire dans un super-réseau.

Français Une nouvelle approche prometteuse est celle des céramiques de type cœur-coquille où un composite magnétoélectrique est formé in situ pendant la synthèse. Dans le système (BiFe _0,9 Co _0,1 O ₃ ) _0,4 -(Bi _1/2 K _1/2 TiO ₃ ) _0,6 (BFC-BKT), un couplage ME très fort a été observé à l'échelle microscopique en utilisant la PFM sous champ magnétique. De plus, une commutation de magnétisation via un champ électrique a été observée en utilisant la MFM. Ici, les grains cœur-coquille actifs ME sont constitués de noyaux magnétiques CoFe ₂ O ₄ (CFO) et d'une coquille (BiFeO ₃ ) _0,6 -(Bi _1/2 K _1/2 TiO ₃ ) _0,4 (BFO-BKT) où le noyau et la coquille ont une structure en réseau épitaxial. Le mécanisme de couplage ME fort se fait via une interaction d'échange magnétique entre CFO et BFO à travers l'interface cœur-coque, ce qui se traduit par une température de Neel exceptionnellement élevée de 670 K de la phase BF-BKT.

Des rapports ont fait état d'un couplage magnétoélectrique important à température ambiante dans les multiferroïques de type I tels que dans la perovskite magnétique « diluée » (PbZr _0,53 Ti _0,47 O ₃ ) _0,6 – (PbFe _1/2 Ta _1/2 O ₃ ) _0,4 (PZTFT) dans certaines phases d'Aurivillius. Ici, un fort couplage ME a été observé à l'échelle microscopique en utilisant PFM sous champ magnétique entre autres techniques. Des multiferroïques hybrides organiques-inorganiques ont été signalés dans la famille des perovskites métal-formate, ainsi que des multiferroïques moléculaires tels que [(CH ₃ ) ₂ NH ₂ ][Ni(HCOO) ₃ ], avec un couplage induit par la contrainte élastique entre les paramètres d'ordre.

Un système de classification utile pour les multiferroïques en multiferroïques dits de type I et de type II a été introduit en 2009 par D. Khomskii.

Khomskii a proposé le terme multiferroïque de type I pour les matériaux dans lesquels la ferroélectricité et le magnétisme se produisent à des températures différentes et proviennent de mécanismes différents. Habituellement, la distorsion structurelle qui donne naissance à la ferroélectricité se produit à haute température, et l'ordre magnétique, qui est généralement antiferromagnétique, s'installe à une température plus basse. L'exemple prototypique est BiFeO ₃ (T _C = 1100 K, T _N = 643 K), avec la ferroélectricité entraînée par la paire non liant stéréochimiquement active de l'ion Bi ³⁺ et l'ordre magnétique causé par le mécanisme de superéchange habituel. YMnO ₃ (T _C = 914 K, T _N = 76 K) est également de type I, bien que sa ferroélectricité soit dite « impropre », ce qui signifie qu'il s'agit d'un effet secondaire résultant d'une autre distorsion structurelle (primaire). L'émergence indépendante du magnétisme et de la ferroélectricité signifie que les domaines des deux propriétés peuvent exister indépendamment l'un de l'autre. La plupart des multiferroïques de type I présentent une réponse magnétoélectrique linéaire, ainsi que des changements de susceptibilité diélectrique lors de la transition de phase magnétique.

Le terme multiferroïque de type II est utilisé pour les matériaux dans lesquels l'ordre magnétique brise la symétrie d'inversion et « provoque » directement la ferroélectricité. Dans ce cas, les températures d'ordre pour les deux phénomènes sont identiques. L'exemple prototypique est TbMnO ₃ , dans lequel une spirale magnétique non centrosymétrique accompagnée d'une polarisation ferroélectrique s'installe à 28 K. Étant donné que la même transition provoque les deux effets, ils sont par construction fortement couplés. Les polarisations ferroélectriques ont tendance à être des ordres de grandeur plus petits que ceux des multiferroïques de type I, cependant, généralement de l'ordre de 10 ⁻² μC/cm ² . L'effet opposé a également été signalé dans le sel de transfert de charge isolant de Mott – (BEDT-TTF)2Cu[N(CN)
₂]Cl . Ici, une transition d'ordre de charge vers un cas ferroélectrique polaire entraîne un ordre magnétique, donnant à nouveau un couplage intime entre les ordres ferroélectrique et, dans ce cas, antiferromagnétique.

La formation d'un ordre ferroïque est toujours associée à la rupture d'une symétrie. Par exemple, la symétrie d'inversion spatiale est rompue lorsque les ferroélectriques développent leur moment dipolaire électrique, et l'inversion temporelle est rompue lorsque les ferromagnétiques deviennent magnétiques. La rupture de symétrie peut être décrite par un paramètre d'ordre, la polarisation P et la magnétisation M dans ces deux exemples, et conduit à plusieurs états fondamentaux équivalents qui peuvent être sélectionnés par le champ conjugué approprié ; électrique ou magnétique pour les ferroélectriques ou les ferromagnétiques respectivement. Cela conduit par exemple à la commutation familière de bits magnétiques à l'aide de champs magnétiques dans le stockage de données magnétiques.

Les ferroïques sont souvent caractérisés par le comportement de leurs paramètres d'ordre sous inversion d'espace et retournement temporel (voir tableau). L'opération d'inversion d'espace inverse la direction de la polarisation (le phénomène de polarisation est donc antisymétrique par inversion d'espace) tout en laissant l'aimantation invariante. En conséquence, les ferromagnétiques et les ferroélastiques non polaires sont invariants sous inversion d'espace alors que les ferroélectriques polaires ne le sont pas. L'opération de retournement temporel, en revanche, change le signe de M (qui est donc antisymétrique par inversion temporelle), tandis que le signe de P reste invariant. Par conséquent, les ferroélastiques et les ferroélectriques non magnétiques sont invariants sous inversion temporelle alors que les ferromagnétiques ne le sont pas.

Les multiferroïques magnétoélectriques sont à la fois antisymétriques en inversion spatiale et en inversion temporelle puisqu'ils sont à la fois ferromagnétiques et ferroélectriques.

La combinaison des brisures de symétrie dans les multiferroïques peut conduire à un couplage entre les paramètres d'ordre, de sorte qu'une propriété ferroïque peut être manipulée avec le champ conjugué de l'autre. Les ferroélectriques ferroélastiques, par exemple, sont piézoélectriques , ce qui signifie qu'un champ électrique peut provoquer un changement de forme ou qu'une pression peut induire une tension, et les ferroaimants ferroélastiques présentent un comportement piézomagnétique analogue . Le contrôle du magnétisme avec un champ électrique dans les multiferroïques magnétoélectriques est particulièrement intéressant pour les technologies potentielles, car les champs électriques ont des besoins énergétiques inférieurs à ceux de leurs homologues magnétiques.

Le principal moteur technologique de l'exploration des multiferroïques a été leur potentiel de contrôle du magnétisme à l'aide de champs électriques via leur couplage magnétoélectrique. Une telle capacité pourrait être technologiquement transformatrice, car la production de champs électriques est beaucoup moins gourmande en énergie que la production de champs magnétiques (qui à leur tour nécessitent des courants électriques) qui sont utilisés dans la plupart des technologies existantes basées sur le magnétisme. Des succès ont été obtenus dans le contrôle de l' orientation du magnétisme à l'aide d'un champ électrique, par exemple dans les hétérostructures de métaux ferromagnétiques classiques et de BiFeO ₃ multiferroïque , ainsi que dans le contrôle de l' état magnétique , par exemple d'antiferromagnétique à ferromagnétique dans FeRh.

Dans les films minces multiferroïques, les paramètres d'ordre magnétique et ferroélectrique couplés peuvent être exploités pour développer des dispositifs magnétoélectroniques. Il s'agit notamment de nouveaux dispositifs spintroniques tels que des capteurs à magnétorésistance tunnel (TMR) et des vannes de spin avec des fonctions réglables par champ électrique. Un dispositif TMR typique se compose de deux couches de matériaux ferromagnétiques séparées par une fine barrière tunnel (~ 2 nm) constituée d'un film mince multiferroïque. Dans un tel dispositif, le transport de spin à travers la barrière peut être réglé électriquement. Dans une autre configuration, une couche multiferroïque peut être utilisée comme couche de blocage de polarisation d'échange. Si les orientations de spin antiferromagnétiques dans la couche de blocage multiferroïque peuvent être réglées électriquement, alors la magnétorésistance du dispositif peut être contrôlée par le champ électrique appliqué. On peut également explorer des éléments de mémoire à états multiples, où les données sont stockées à la fois dans les polarisations électriques et magnétiques.

Les structures composites multiferroïques sous forme massive sont explorées pour les capteurs de champ magnétique alternatif à haute sensibilité et les dispositifs micro-ondes accordables électriquement tels que les filtres, les oscillateurs et les déphaseurs (dans lesquels la résonance ferri-, ferro- ou antiferro-magnétique est accordée électriquement au lieu de magnétiquement).

Les matériaux multiferroïques ont été utilisés pour répondre à des questions fondamentales en cosmologie et en physique des particules. Dans le premier cas, le fait qu'un électron individuel soit un multiferroïque idéal, avec tout moment dipolaire électrique requis par symétrie pour adopter le même axe que son moment dipolaire magnétique, a été exploité pour rechercher le moment dipolaire électrique de l'électron. En utilisant le matériau multiferroïque conçu (Eu,Ba)TiO ₃ , le changement du moment magnétique net lors de la commutation de la polarisation ferroélectrique dans un champ électrique appliqué a été surveillé, ce qui a permis d'extraire une limite supérieure de la valeur possible du moment dipolaire électrique de l'électron. Cette quantité est importante car elle reflète la quantité de rupture de symétrie par inversion du temps (et donc CP) dans l'univers, ce qui impose de sévères contraintes aux théories de la physique des particules élémentaires. Dans un deuxième exemple, il a été démontré que la transition de phase ferroélectrique géométrique impropre inhabituelle dans les manganites hexagonales avait des caractéristiques de symétrie en commun avec les transitions de phase proposées dans l'univers primitif. En conséquence, les manganites hexagonales peuvent être utilisées pour effectuer des expériences en laboratoire afin de tester divers aspects de la physique de l'univers primitif. En particulier, un mécanisme proposé pour la formation des cordes cosmiques a été vérifié, et des aspects de l'évolution des cordes cosmiques sont explorés par l'observation de leurs analogues d'intersection de domaines multiferroïques.

Un certain nombre d'autres applications inattendues ont été identifiées ces dernières années, principalement dans le ferrite de bismuth multiferroïque, qui ne semblent pas être directement liées au couplage magnétisme-ferroélectricité. Il s'agit notamment d'un effet photovoltaïque , de la photocatalyse , et d'un comportement de détection de gaz. Il est probable que la combinaison de la polarisation ferroélectrique et de la faible bande interdite composée partiellement d'états d de métaux de transition soit responsable de ces propriétés favorables.

Des films multiferroïques avec une structure de bande interdite appropriée dans les cellules solaires ont été développés, ce qui se traduit par une efficacité de conversion énergétique élevée en raison de la séparation efficace des porteurs entraînée par la polarisation ferroélectrique et de la génération de photo-tension par espacement de bande passante. Divers films ont été étudiés, et il existe également une nouvelle approche pour ajuster efficacement la bande interdite de l'oxyde multicouche à double perovskite en modifiant l'ordre des cations pour Bi2FeCrO6.

Il a récemment été démontré que, de la même manière que la polarisation électrique peut être générée par un ordre magnétique variant dans l'espace, le magnétisme peut être généré par une polarisation variant dans le temps. Le phénomène résultant a été appelé multiferroïcité dynamique . La ​​magnétisation est donnée par

où est la polarisation et indique le produit vectoriel. Le formalisme de multiferroïcité dynamique sous-tend la gamme variée de phénomènes suivants :

• L'effet Zeeman des phonons, dans lequel des phonons de polarisation circulaire opposée ont des énergies différentes dans un champ magnétique. Ce phénomène attend une vérification expérimentale.
• Excitation de magnons résonants par des phonons entraînés par voie optique.
• Électromagnons de type Dzylaoshinskii-Moriya.
• L'effet Faraday inverse.
• Saveurs exotiques de la criticité quantique.

L'étude de la dynamique dans les systèmes multiferroïques s'intéresse à la compréhension de l'évolution temporelle du couplage entre divers ordres ferroïques , en particulier sous l'effet de champs appliqués externes. La recherche actuelle dans ce domaine est motivée à la fois par la promesse de nouveaux types d'applications reposant sur la nature couplée de la dynamique et par la recherche d'une nouvelle physique au cœur de la compréhension fondamentale des excitations MF élémentaires. Un nombre croissant d'études sur la dynamique MF s'intéressent au couplage entre les paramètres d'ordre électrique et magnétique dans les multiferroïques magnétoélectriques. Dans cette classe de matériaux, la recherche de pointe explore, à la fois théoriquement et expérimentalement, les limites fondamentales (par exemple la vitesse de couplage intrinsèque, la force de couplage, la synthèse des matériaux) du couplage magnétoélectrique dynamique et comment celles-ci peuvent être atteintes et exploitées pour le développement de nouvelles technologies.

Au cœur des technologies proposées basées sur le couplage magnétoélectrique se trouvent les processus de commutation, qui décrivent la manipulation des propriétés magnétiques macroscopiques du matériau avec le champ électrique et vice versa. Une grande partie de la physique de ces processus est décrite par la dynamique des domaines et des parois de domaine . Un objectif important de la recherche actuelle est la minimisation du temps de commutation, de quelques fractions de seconde (régime quasi-statique) vers la plage des nanosecondes et plus encore, cette dernière étant l'échelle de temps typique nécessaire à l'électronique moderne, comme les dispositifs de mémoire de nouvelle génération.

Les processus ultrarapides opérant à l'échelle de la picoseconde, de la femtoseconde et même de l'attoseconde sont tous deux pilotés et étudiés à l'aide de méthodes optiques qui sont à la pointe de la science moderne. La physique sous-jacente aux observations à ces échelles de temps courtes est régie par une dynamique hors équilibre et utilise généralement des processus résonants. Une démonstration de processus ultrarapides est le passage d'un état antiferromagnétique colinéaire à un état antiferromagnétique spiralé dans CuO sous excitation par une impulsion laser de 40 fs à 800 nm. Un deuxième exemple montre la possibilité de contrôler directement les ondes de spin avec un rayonnement THz sur NiO antiferromagnétique. Il s'agit de démonstrations prometteuses de la manière dont la commutation des propriétés électriques et magnétiques dans les multiferroïques, médiée par le caractère mixte de la dynamique magnétoélectrique, peut conduire à des dispositifs de traitement de données, de communication et d'informatique quantique ultrarapides.

Les recherches actuelles sur la dynamique MF visent à répondre à diverses questions ouvertes ; la réalisation pratique et la démonstration de la commutation de domaine à très grande vitesse, le développement de nouvelles applications basées sur la dynamique accordable, par exemple la dépendance en fréquence des propriétés diélectriques, la compréhension fondamentale du caractère mixte des excitations (par exemple dans le cas ME, les modes mixtes phonon-magnon – « électromagnons »), et la découverte potentielle d'une nouvelle physique associée au couplage MF.

Comme tout matériau ferroïque, un système multiferroïque est fragmenté en domaines. Un domaine est une région étendue spatialement avec une direction et une phase constantes de ses paramètres d'ordre. Les domaines voisins sont séparés par des régions de transition appelées parois de domaine.

Contrairement aux matériaux à ordre ferroïque unique, les domaines des multiferroïques présentent des propriétés et des fonctionnalités supplémentaires. Par exemple, ils sont caractérisés par un assemblage d'au moins deux paramètres d'ordre. Les paramètres d'ordre peuvent être indépendants (typique mais non obligatoire pour un multiferroïque de type I) ou couplés (obligatoire pour un multiferroïque de type II).

De nombreuses propriétés remarquables qui distinguent les domaines dans les matériaux multiferroïques de ceux dans les matériaux avec un seul ordre ferroïque sont des conséquences du couplage entre les paramètres d'ordre.

• Le couplage peut conduire à des modèles avec une distribution et/ou une topologie de domaines exclusive aux multiferroïques.
• Le couplage ordre-paramètre est généralement homogène sur un domaine, c'est-à-dire que les effets de gradient sont négligeables.
• Dans certains cas, la valeur nette moyenne du paramètre d'ordre pour un modèle de domaine est plus pertinente pour le couplage que la valeur du paramètre d'ordre d'un domaine individuel.

Ces problématiques conduisent à de nouvelles fonctionnalités qui expliquent l’intérêt actuel pour ces matériaux.

Les parois de domaine sont des régions de transition étendues spatialement qui assurent le transfert du paramètre d'ordre d'un domaine à un autre. Par rapport aux domaines, les parois de domaine ne sont pas homogènes et peuvent avoir une symétrie plus faible. Cela peut modifier les propriétés d'un multiferroïque et le couplage de ses paramètres d'ordre. Les parois de domaine multiferroïques peuvent présenter des propriétés statiques et dynamiques particulières .

Les propriétés statiques se réfèrent aux murs stationnaires. Elles peuvent résulter de

• La dimensionnalité réduite
• La largeur finie du mur
• La symétrie différente du mur
• L'inhomogénéité chimique, électronique ou des paramètres d'ordre inhérents aux parois et les effets de gradient qui en résultent.

Les propriétés multiferroïques peuvent apparaître dans une grande variété de matériaux. Par conséquent, plusieurs méthodes de fabrication de matériaux classiques sont utilisées, notamment la synthèse à l'état solide , la synthèse hydrothermale , le traitement sol-gel , le dépôt sous vide et la zone flottante .

Certains types de multiferroïques nécessitent des techniques de traitement plus spécialisées, telles que

• Dépôt sous vide (par exemple : MBE , PLD ) pour le dépôt de couches minces afin d'exploiter certains avantages qui peuvent découler de structures en couches bidimensionnelles telles que : les multiferroïques à médiation de contrainte, les hétérostructures, l'anisotropie.
• Synthèse à l'état solide à haute pression pour stabiliser des structures métastables ou fortement déformées, ou dans le cas des multiferroïques à base de Bi en raison de la forte volatilité du bismuth.

La plupart des matériaux multiferroïques identifiés à ce jour sont des oxydes de métaux de transition, qui sont des composés constitués de métaux de transition (généralement 3d ) avec de l'oxygène et souvent un cation supplémentaire du groupe principal. Les oxydes de métaux de transition sont une classe de matériaux favorable à l'identification des multiferroïques pour plusieurs raisons :

• Les électrons 3D localisés sur le métal de transition sont généralement magnétiques s'ils sont partiellement remplis d'électrons.
• L'oxygène se situe à un « point idéal » dans le tableau périodique dans la mesure où les liaisons qu'il établit avec les métaux de transition ne sont ni trop ioniques (comme son voisin le fluor, F) ni trop covalentes (comme son voisin l'azote, N). Par conséquent, ses liaisons avec les métaux de transition sont plutôt polarisables, ce qui est favorable à la ferroélectricité.
• Les métaux de transition et l’oxygène ont tendance à être abondants sur Terre, non toxiques, stables et sans danger pour l’environnement.

De nombreux composés multiferroïques présentent une structure perovskite . Cela est en partie dû à l'histoire (la plupart des ferroélectriques bien étudiés sont des perovskites) et en partie à la grande polyvalence chimique de la structure.

Vous trouverez ci-dessous une liste de certains des multiferroïques les plus étudiés avec leurs températures de classement ferroélectrique et magnétique. Lorsqu'un matériau présente plusieurs transitions de phase ferroélectriques ou magnétiques, la plus pertinente pour le comportement multiferroïque est indiquée.