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Faits d’actualité

Relaxation anisotrope de l’aimantation dans des films de semiconducteurs magnétiques dilués

Les semiconducteurs magnétiques dilués sont des matériaux semiconducteurs classiques dans lesquels des ions magnétiques se substituent à un faible pourcentage d’atomes pour générer le magnétisme. Ces matériaux, tels que GaAs dopés en Mn, couplent les avantages des semiconducteurs aux propriétés magnétiques nécessaires au développement de l’« électronique de spin ». Après avoir étudié l’influence de la concentration en porteurs de charges et des contraintes sur les propriétés magnétiques de ces systèmes, nos travaux récents se focalisent sur l’étude de la dynamique de la relaxation de leur aimantation.

Les propriétés magnétiques de films minces de Ga1-xMnxAs avec x variant de 3 à 8 % sont l’objet de nombreuses études expérimentales et théoriques car ce matériau semiconducteur devient ferromagnétique grâce à l’existence d’un couplage entre les trous électroniques délocalisés et les ions magnétiques Mn, susbtitutionnels d’une fraction des Ga de la matrice.

Au contraire des métaux magnétiques, dans les films d’épaisseur nanométriques de Ga1-xMnxAs, l’anisotropie magnétocristalline domine les champs de démagnétisation. Cette forte anisotropie est induite non seulement par la structure même du GaAs mais aussi par les contraintes résultant du désaccord de maille avec le substrat utilisé. Nous avons étudié des films de Ga0.93Mn0.07As formés sur GaAs ou Ga0.902In0.098.As présentant des états de contraintes très différents, respectivement en compression ou en extension.

Par des expériences de résonance ferromagnétique réalisées à l’INSP, nous avons déterminé leur température critique, leur axe de facile aimantation et les valeurs des quatre constantes d’anisotropie magnétocristalline qui déterminent la direction de l’aimantation du film. Grâce aux différentes sources microondes (9.6GHz et 35 GHz) disponibles à l’INSP, nous avons pu déterminer par une analyse des largeurs des résonances observées en fonction de la fréquence microonde et de la température, un paramètre supplémentaire important, conditionnant la dynamique de l’aimantation : le facteur de relaxation de Gilbert.

La connaissance des processus de relaxation de l’aimantation est essentielle pour les applications envisagées en électronique de spin car ils déterminent par exemple les valeurs des courants nécessaires pour induire une modification de l’aimantation de ces films. Nous avons montré que ce facteur de relaxation est en fait anisotrope et qu’il prend une valeur minimale dans la direction de facile aimantation. Sa valeur augmente avec la température mais sa valeur moyenne dépend peu de l’état de contrainte du film.

 

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Figure 1 : Résonance ferromagnétique du système Ga0.93Mn0.07As/ Ga0.902In0.098.As mesurée à 25K et pour un champ magnétique appliqué selon la direction cristallographique [110] correspondant à l’axe de difficile aimantation (a) avec une source microonde de (a) 9.6GHz, (b) 35GHz. La simulation de la résonance par une raie gaussienne est présentée en rouge. La résonance indiquée ‘SW’ correspond à une onde de spin. L’analyse de la largeur des signaux permet de déterminer le facteur de relaxation (damping factor).

Figure 2 : Facteur de relaxation de l’aimantation (damping factor) en fonction de la température pour différentes orientations du champ magnétique appliqué.

 

Pour en savoir plus :

Anisotropic magnetization relaxation in ferromagnetic Ga1-xMnxAs thin films
Kh. Khazen, H.J. von Bardeleben, M. Cubukcu, J.L. Cantin, V. Novak, K. Olejnik, M. Cukr, L. Thevenard, A. Lemaitre
Physical Review B 78, 195210 (2008)