V. Balédent1, A. Vaunat1,2,3, S. Petit3, L. Nataf2, S. Chattopadhyay4,5, S. Raymond6, and P. Foury-Leylekian1
1Université Paris-Saclay, CNRS, Laboratoire de Physique des Solides, 91405 Orsay, France
2Synchrotron SOLEIL, L’Orme des Merisiers, Saint Aubin BP 48, 91192 Gif-sur-Yvette, France
3Laboratoire Léon Brillouin, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, 91191 Gif sur Yvette, France
4Dresden High Magnetic Field Laboratory (HLD-EMFL), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 01328 Dresden, Germany
5UGC-DAE Consortium for Scientific Research Mumbai Centre, 246-C CFB, BARC Campus, Mumbai 400085, India
6Université Grenoble Alpes, CEA, IRIG, MEM, MDN, 38000 Grenoble, France
Electronic ground-state hysteresis under magnetic field in GdMn2O5, Physical Review B 108, 104419 (2023).
Les composés multiferroiques sont depuis longtemps étudiés pour la coexistence de la ferroélectricité et d’un ordre magnétique. Dans certains composés, tels que les RMn2O5, le couplage est suffisamment fort pour manipuler la ferroélectricité à l’aide d’un champ magnétique. Le potentiel de tels composés est multiple dans le domaine du stockage de l’information avec des mémoires à 4 états ou encore pour l’optimisation énergétique de l’écriture des données. Parmi les exemples les plus marquants de ce couplage figure le composé GdMn2O5, pour lequel la polarisation électrique peut être retournée avec un champ magnétique statique de 2 Tesla.
Nos récents résultats expérimentaux, combinant mesures de polarisation électrique et de diffusion inélastique de neutrons sous champ magnétique ont permis de révéler un effet encore inconnu lié à ce couplage magnéto-électrique. En effet, les mesures de diffusion de neutrons sur le spectromètre 3 axes IN12 (CRG-ILL) ont tout d’abord révélé un diagramme de phase magnétique complexe en température et en champ magnétique. Un des élements clé de ce diagramme est la transition vers une nouvel état magnétique au delà de 11 Tesla à basse température. Ces mesures exhaustives à la fois en montant puis descendant le champ magnétique indiquent que l’ordre magnétique revient à son état initial une fois le champ redescendu à 0 Tesla.
Du côté des propriétés ferroélectriques, une modification de la polarisation électrique était attendue au moment de la transition à 11 Tesla, mais deux résultats inattendus ont été observés. Premièrement, la nouvelle phase magnétique montre une polarisation dans la direction a, contrairement à toutes les mesures effectuées sur l’ensemble des membres de la famille des RMn2O5 (suivant b). Deuxièmement, la polarisation électrique ne revient pas à son état inital une fois le champ magnétique redescendu à 0 Tesla, contrairement à ce que la diffusion de neutron a montré pour le magnétisme. L’observation d’une polarisation électrique rémanente suite à un balayage en champ magnétique est excitant : non seulement il est possible d’accéder à de nouveaux états fondamentaux, et celui-ci peut être altéré en fonction du chemin suivi.
Gauche : Variation de la polarisation électrique à T=2K le long de a, b, et c par rapport à l’état initial à champ nul, en fonction du champ magnétique (montant et descendant). Droite : Évolution en fonction du champ magnétique le long de l’axe b et à T=2K des pics magnétiques mesurés par diffusion de neutrons : (a) et (b) position et intensité de la phase incommensurable, (c) intensité de la composante ferromagnétique, (d) intensité d’une autre phase incommensurable induite par le champ et (e) intensité de la phase commensurable à faible champ.
