L' échange antisymétrique ou interaction de Dzialochinski-Morya est une contribution à l'interaction d'échange magnétique totale entre deux spins magnétiques voisins, et . Quantitativement, c'est un terme de l'hamiltonien de Heisenberg qui peut s'écrire . Dans les systèmes magnétiquement ordonnés, il favorise une inclinaison de spin de moments magnétiques alignés parallèlement ou antiparallèlement et constitue donc une source de comportement ferromagnétique faible dans un matériau antiferromagnétique. L'interaction est fondamentale pour la production de skyrmions magnétiques et explique les effets magnétoélectriques dans une classe de matériaux appelés multiferroïques.

L'interaction porte les noms de Igor Dzialochinski et Toru Moriya.

Histoire

La découverte de l'échange antisymétrique remonte au début du XXe siècle, suite à l'observation controversée d'un faible ferromagnétisme dans des cristaux de α-FeO typiquement antiferromagnétiques. En 1958 Igor Dzialochinski a fourni la preuve que l'interaction était due aux interactions relativistes du réseau de spin et du dipôle magnétique basées sur la théorie des transitions de phase du deuxième type de Lev Landau. En 1960, Toru Moriya a identifié le couplage spin-orbite comme le mécanisme microscopique de l'interaction d'échange antisymétrique. Il a fait référence à ce phénomène spécifiquement comme la « partie antisymétrique de l'interaction de superéchange anisotrope ». La dénomination simplifiée de ce phénomène remonte à 1962, lorsque D. Treves et S. Alexander, des laboratoires Bell ont simplement appelé l'interaction « échange antisymétrique ». En raison de leurs contributions fondamentales dans ce domaine, l'échange antisymétrique est parfois appelé « interaction Dzyaloshinskii–Moriya » .

Dérivation

La forme fonctionnelle de l'échange peut être obtenue par une analyse perturbative du second ordre de l'interaction de couplage spin-orbite, entre les ions dans le formalisme de superéchange d'Anderson. La notation utilisée implique que soiot un vecteur tridimensionnel d'opérateurs de moment angulaire sur l'ion et que soit un opérateur de spin tridimensionnel de même forme :

où est l'intégrale d'échange

avec la fonction d'onde de l'orbitale fondamentale de l'ion en . Si l'état fondamental est non dégénéré, alors les éléments de la matrice de sont purement imaginaires et on peut écrire de la façon suivante :

Effets de la symétrie cristalline

Dans un cristal réel, les symétries des ions voisins déterminent la grandeur et la direction du vecteur . Considérant le couplage des ions 1 et 2 aux emplacements et , le point bissecteur de étant noté , les règles suivantes peuvent être obtenues : Lorsqu'un centre d'inversion est situé en alors . Lorsqu'un plan miroir perpendiculaire à passe par alors est parallèle à ce plan ou perpendiculaire à AB. Lorsqu'un plan miroir comprend et alors est perpendiculaire au plan miroir. Lorsqu'un axe de rotation d'ordre 2 perpendiculaire à passe par alors est perpendiculaire à cet axe. Lorsqu'il existe un axe d'ordre 1 () le long de alors est parallèle à .

L'orientation du vecteur est contrainte par la symétrie. Considérant le cas où l'interaction magnétique entre deux ions voisins est transférée via un seul troisième ion (ligand) par le mécanisme de superéchange (voir figure), l'orientation de est obtenue par la relation simple . Cela implique que est orienté perpendiculairement au triangle formé par les trois ions impliqués. si les trois ions sont alignés.

Mesures

L'interaction Dzyaloshinskii-Moriya s'est avérée difficile à mesurer expérimentalement directement en raison de ses effets généralement faibles et de sa similitude avec d'autres effets magnétoélectriques dans les matériaux massifs. Les tentatives de quantification du vecteur d'échange ont utilisé l'interférence par diffraction des rayons X, la diffusion Brillouin, la résonance de spin électronique et la diffusion neutronique. Nombre de ces techniques ne mesurent que la direction ou l'intensité de l'interaction et émettent des hypothèses sur la symétrie ou le couplage de l'interaction de spin. Une avancée récente dans la résonance de spin électronique à large bande couplée à la détection optique (technique OD-ESR) permet de caractériser le vecteur d'échange pour les matériaux à ions de terres rares sans hypothèse et sur un large spectre d'intensité de champ magnétique.

Exemples de matériaux

L'image montre un complexe de coordination métal lourd-oxyde pouvant présenter un comportement ferromagnétique ou antiferromagnétique selon l'ion métallique présent. La structure présentée est appelée structure cristalline du corindon, du nom de la forme primaire de l'oxyde d'aluminium (), qui présente le groupe d'espace trigonal Rc. Cette structure contient également la même maille unitaire que α-FeO et α-CrO qui possèdent une symétrie de groupe d'espace D63d. La demi-maille unitaire supérieure affichée montre quatre ions M3+ le long de la diagonale d'espace du rhomboèdre. Dans la structure FeO, les spins du premier et du dernier ion métallique sont positifs, tandis que les deux ions centraux sont négatifs. Dans la structure α-CrO les spins du premier et du troisième ion métallique sont positifs, tandis que les deuxième et quatrième sont négatifs. Les deux composés sont antiferromagnétiques à basse température (< 250 K). Cependant, au-dessus de cette température, α-FeO subit un changement structural où son vecteur de spin total ne pointe plus le long de l'axe cristallin, mais à un léger angle le long du plan basal (111). C'est ce qui fait que le composé contenant du fer présente un moment ferromagnétique instantané au-dessus de 250 K, tandis que le composé contenant du chrome ne présente aucun changement. C'est donc la combinaison de la distribution des spins des ions, du désalignement du vecteur de spin total et de l'antisymétrie résultante de la maille unitaire qui donne lieu au phénomène d'échange antisymétrique observé dans ces structures cristallines.

Applications

Skyrmions magnétiques

Un skyrmion magnétique est une structure magnétique présente dans un champ magnétique. Il existe en configurations « spirale » ou « hérisson », stabilisées par l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya. Ces structures font des skyrmions des candidats prometteurs pour de futurs dispositifs spintroniques.

Multiferroïques

L'échange antisymétrique est important pour comprendre la polarisation électrique induite par le magnétisme dans une classe de multiferroïques récemment découverte. Ici, de faibles décalages des ions ligands peuvent être induits par magnétisme car les systèmes tendent à augmenter l'énergie d'interaction magnétique au détriment de l'énergie de réseau. Ce mécanisme est appelé « effet Dzyaloshinskii–Moriya inverse ». Dans certaines structures magnétiques, tous les ions ligands sont décalés dans la même direction, ce qui entraîne une polarisation électrique nette.

Du fait de leur couplage magnétoélectrique, les matériaux multiferroïques présentent un intérêt pour les applications nécessitant le contrôle du magnétisme par l'application de champs électriques. Ces applications incluent les capteurs à magnétorésistance à effet tunnel, les vannes de spin à fonctions réglables par champ électrique, les capteurs de champ magnétique alternatif haute sensibilité et les dispositifs micro-ondes réglables électriquement.

La plupart des matériaux multiferroïques sont des oxydes de métaux de transition en raison du potentiel de magnétisation des électrons 3d. Nombre d'entre eux peuvent également être classés comme pérovskites et contiennent l'ion Fe3+ ainsi qu'un ion lanthanide. On trouve ci-dessous un tableau de composés multiferroïques courants.

+ Matériaux multiferroïques communs Matériau Ferroélectrique TC [K] Magnétique TN ou TC [K] Type de ferroélectricité BiFeO3 1100 653 paire unique HoMn2O5 39 induite TbMnO3 27 42 induite Ni3V2O8 6.5 MnWO4 13.5 induite CuO 230 230 induite ZnCr2Se4 110 20

Références

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