Transport de spin dans des matériaux magnétiques en couches minces, par simulations Monte Carlo
L'étude des propriétés de transport dans les matériaux magnétiques a débuté dans les années 1950. Le magnétisme intrinsèque à ce type de solide représente une source de diffusion supplémentaire par rapport aux matériaux non-magnétiques qui vient s'ajouter aux phonons et aux impuretés ou dé...
| Main Author: | |
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| Language: | FRE |
| Published: |
Université de Cergy Pontoise
2011
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| Online Access: | http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00737547 http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/73/75/47/PDF/these_yann_magnin.pdf |
| Summary: | L'étude des propriétés de transport dans les matériaux magnétiques a débuté dans les années 1950. Le magnétisme intrinsèque à ce type de solide représente une source de diffusion supplémentaire par rapport aux matériaux non-magnétiques qui vient s'ajouter aux phonons et aux impuretés ou défauts cristallins du réseau. L'étude de la diffusion magnétique est plus complexe que les deux précédentes sources diffusives énoncées. Car d'une part l'influence de la diffusion magnétique induit des comportements différents de résistivité dus au matériau, selon que ce dernier est un métal ou un semi-conducteur. D'autre part, le type de magnétisme porté par la structure est également à l'origine de différents comportements de la résistivité magnétique. Dès les années 1950 de nombreux auteurs se sont concentrés sur l'étude des métaux et semi-conducteurs magnétiques. Il résulte des différents travaux que chacune des théories s'applique à un cas particulier et ne peut pas rendre compte de l'ensemble des comportements susceptibles d'être observés expérimentalement. A titre d'exemple, la résistivité des métaux magnétiques présente une évolution monotone fonction de la température (seule la dérivée par rapport à la température présente une singularité), alors que les semi-conducteurs magnétiques présentent un pic à la température critique (Tc), température séparant les phases d'ordre et de désordre magnétique. Ajoutons que les différentes interprétations concernant la diffusion magnétique autour de la température critique est encore un point controversé. Aussi, les théories disponibles à ce jour concernant l'étude du transport dans les matériaux magnétiques doivent être choisies en fonction du matériau étudié (type de structure, métal ou semi-conducteur, type de magnétisme). Une méthode générale, capable de rendre compte de l'ensemble des comportements de la résistivité quelle que soit la nature du solide (métal ou semi-conducteur) et du type de magnétisme fait aujourd'hui cruellement défaut. C'est à ce manque que nous avons souhaité répondre en premier lieu dans le cadre de cette thèse. En effet, le développement spectaculaire de la spintronique repose sur l'utilisation des semi-conducteurs magnétiques qui ne peut faire fi d'une compréhension rigoureuse des mécanismes de diffusion autour de la température critique. Notre démarche a consisté à utiliser la méthode numérique Monte Carlo Métropolis afin d'étudier ce problème sous un angle nouveau. Nous avons ainsi construit un algorithme qui s'applique à un Hamiltonien assez général du système. Grâce à cet Hamiltonien et avec un jeu de paramètres d'entrées appropriées, nous sommes en mesure par le biais de la méthode Monte Carlo Métropolis de reproduire de façon générique les tendances expérimentales présentes dans la littérature pour des semi-conducteurs ferromagnétiques et antiferromagnétiques, frustrés et non-frustrés. Egalement, la méthode permet une étude systématique de matériaux caractérisés expérimentalement avec prise en compte des unités afin de réaliser des comparaisons directes entre nos résultats de simulations et les mesures expérimentales, avec un bon accord de forme et de grandeur, par exemple dans le cas du semi-conducteur magnétique MnTe. Si cette thèse se limite à l'étude de matériaux semi-conducteurs, nos perspectives vont consister à étendre l'étude aux systèmes dilués DMS, très étudiés aujourd'hui, ainsi qu'aux problèmes de diffusion aux interfaces dans les dispositifs GMR, problématique qui soulève actuellement de nombreuses questions. A ce jour notre démarche est unique et semble capable de rendre compte des comportements de résistivité expérimentale en particulier pour le cas des semi-conducteurs, de fournir une nouvelle explication quant à la controverse liée aux mécanismes de diffusion électronique autour de la température critique. Ma contribution à ce travail a consisté à développer, en collaboration avec mon directeur de thèse le Pr. Hung The Diep, un algorithme pour l'étude du transport de spin. Grâce à cet algorithme, j'ai obtenu de nombreux résultats qui ont permis l'interprétation des différents résultats expérimentaux présentés dans ma thèse. Ma contribution principale à ce travail est : - Mise au point d'une méthode Monte Carlo avec des techniques permettant la réduction des fluctuations statistiques des échantillons (multi-step averaging) - Etude des différents types de matériaux ferromagnétiques et antiferromagnétiques non frustrés. Observation des comportements très marquants autour de Tc et à basse T: la dépendance de la forme du pic à Tc dépend de variables physiques bien identifiées (interactions : portée, nature ; temps de relaxation, réseau, ...) - Etude de l'effet de la frustration sur la résistivité. Effet d'une transition du premier ordre sur la résistivité. - Interprétation du comportement de la résistivité utilisant les données numériques notamment en terme de clusters et de temps de relaxation. - Etude quantitative de MnTe et comparaison avec l'expérience : accord parfait. Développons ces points en quelques mots. Le premier point sur lequel je voudrais insister, est l'interprétation nouvelle en ce qui concerne les mécanismes de diffusion à proximité des températures de transition ordre/désordre pour les réseaux non-frustrés. En effet, j'ai mis en évidence lors de ma thèse que la forme du pic de résistivité autour de Tc est une conséquence directe de deux effets liés au magnétisme du réseau. Autour de Tc le réseau percole et présente de larges clusters de spins parallèles (antiparallèles) qui représentent autant de zones de basses (hautes) énergies pour les électrons qui s'y propagent. En addition les spins du réseau subissent un ralentissement critique qui rend l'évolution du paysage magnétique extrêmement lent. Le ralentissement critique des fluctuations des spins du réseau fige le paysage magnétique et permet aux spins itinérants de se localiser dans les clusters parallèles (basses énergies) et d'y être piégés, donnant naissance à un pic de résistivité à Tc. En conséquence nous soulignons que l'étude de transport dans les systèmes magnétiques doit tenir compte du paysage énergétique local du réseau magnétique, ainsi que de la dynamique des fluctuations des spins en fonction de la température (ce dont ne tenaient pas compte les travaux ultérieurs). C'est deux points nous permettent un traitement généralisé de la résistivité dans les systèmes non-frustrés. Quant aux systèmes antiferromagnétiques frustrés, ils se caractérisent par un grand nombre d'états dégénérés (souvent infini pour des spins d'Ising). Cependant, la structure en couches minces du système nous permet de rendre cette dégénérescence finie. Nous mettons premièrement en évidence que la dégénérescence du système induit une transition de résistivité du premier ordre, et que selon l'état dégénéré du système, la résistivité peut présenter deux types de transition : une transition allant des basses résistivités vers les hautes résistivités, dans le sens des températures croissantes, ou inversement. Soulignons que ce type de matériau peut présenter un intérêt dans l'élaboration de système tel que les rams assistées par la chaleur. |
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