Lattice, magnetic excitations and their coupling in multiferroic materials

Excitations du réseau et magnétiques, leurs couplages dans les matériaux multiferroïques

Jiaji Liu (1)

1 MPQ (UMR_7162) - Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques

Multiferroic materials present the rare properties that simultaneously exist magnetic and ferroelectric orders and interaction between them. These features in mutliferroics bring out novel physical phenomena and offer possibilities for new device functions. BiFeO3 and hexagonal RMnO3 are two most investigated multiferroics. In this work, we have studied the lattice and spin excitations in hexagonal RMnO3 single crystals (R=Yb, Y, Ho) and BiFeO3 thin films on different substrates. Our measurements of hexagonal RMnO3 single crystals indicate the coupling of lattice and spin excitations. Moreover, the results clearly show the R-Mn and R-R interplane interaction along c-axis also play an important role in the magnetic structure of h-RMnO3. In the case of BiFeO3 thin films, we have observed that high epitaxial strain can destroy the bulk-like cycloidal modulation and non-collinear orders are stable at low strain. A mixture phase of both magnetic orders is also detected in BiFeO3 thin films. In the lower-strain state, a new cycloidal spin structure with a propagation wavevector along [110] is predicted and experimentally observed. Our findings have profound implications for the implementation of BiFeO3 films in magnonic and spintronic devices. Indeed, our Raman scattering measurements reveal that strain can completely quench high energy magnon modes, offering exciting possibilities for BiFeO3 -based magnonic devices.

Cette thèse porte sur l'étude par spectroscopie Raman d'une série de matériaux multiferroïques. La découverte de matériaux multiferroïques magnétoélectriques date des années 60 mais ce sujet est resté dormant jusqu'au début des années 2000. Des progrès récents en sciences des matériaux et en techniques de mesures ayant un signal-sur-bruit remarquable ont relancé le domaine. Plusieurs expériences ont montré la présence surprenante d'une physique très riche et non conventionnelle, en particulier en ce qui concerne l'origine du couplage magnétoélectrique dans ces composés. Le manuscrit couvre deux problématiques particulières : (i) la dynamique de réseau et les signatures (électro)magnétiques dans des monocristaux de manganites hexagonales ; et (ii) l'effet de la contrainte sur les propriétes multiferroïques de couches minces de BiFeO3. La spectroscopie Raman est particulièrement intéressante dans l'étude des composés multiferroïques puisqu'elle accède à la fois des propriétés vibrationelles (phonons) et magnétiques (magnons) ainsi que des possibles phénomènes d'hybridation entre ces excitations.

Mots clés: Multiferroic; magnetis

Mots clés: magnetisme; phonon; magnon; Raman; multiferroïque

Domaines: Electrons fortement corrélés [cond-mat.str-el]

Jiaji Liu. Lattice, magnetic excitations and their coupling in multiferroic materials. Strongly Correlated Electrons [cond-mat.str-el]. Université Paris 7 – Denis Diderot, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01493385⟩