Transport de spin dans des matériaux magnétiques en couches minces, par simulations Monte Carlo - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2011

Spin transport in magnetic thin films magnetic materials by Monte Carlo simulations

Transport de spin dans des matériaux magnétiques en couches minces, par simulations Monte Carlo

Résumé

The study of spin transport properties in magnetic materials started in the 1950s. The intrinsic magnetism of this kind of materials represents an additional diffusion source compared to non-magnetic materials, in which diffusion sources are mainly phonons, impurities and crystalline defects of the lattice. Magnetic scattering is more complex than the two previous sources expressed. On one hand the magnetic diffusion induces different behaviors of resistivity due to the material, as it can be a metal or a semiconductor. On the other hand, the type of magnetism exhibited by a structure is also at the origin of different magnetic behaviors of resistivity. During the 1950s many authors focused on metals and magnetic semiconductors. It follows that each of the various theories works for a particular case, but failed for all other behaviors observed experimentally. For example, the resistivity of magnetic metals is a monotonic function of temperature (it is only the derivative that presents a singularity with respect to the temperature), while magnetic semiconductors show a peak at the critical temperature (Tc) , temperature separating the order to the disorder magnetic phases. Note that the different interpretations concerning the magnetic diffusion around the critical temperature are still a controversial point. Moreover, the theories available to date about transport in magnetic materials should be selected according to the material studied (type of structure, metal or semiconductor, type of magnetism). A general method which could be used for all behaviors of resistivity, whatever the nature of the solid (metal or semiconductor) and the type of magnetism was lacking at the beginning of this work. First, it is to this lack we want to answer with this thesis. Indeed, the spectacular development of spintronics relies on the use of magnetic semiconductors and metals, so a rigorous understanding of the scattering mechanisms near the critical temperature is needed today. Our approach consists in using a Monte Carlo Metropolis simulation to study this problem. I have developed an algorithm that applies to a fairly general Hamiltonian of the system. Thanks to this Hamiltonian and with an appropriate set of parameters, we are able to reproduce experimental trends and/or generic behaviors presented in the literature for ferromagnetic and antiferromagnetic (frustrated and non-frustrated) semiconductors. The method also allows to perform a systematic study of materials experimentally characterized taking into account units to realize direct comparisons between our simulation results and experimental measurements, with good agreement. This as been applied to the case of MnTe, a magnetic semiconductor, for example. Whereas this work was limited to the study of semiconductor materials, our next objective will consist in extending the method to diluted magnetic semiconductors (DMS), as well as scattering at the magnetic interfaces of GMR devices, an issue that currently raises many questions. So far, our approach is unique and seems able to reproduce a large number of experimental behaviors of resistivity, in particular in the case of semiconductors, and providing a new explanation to the controversy about scattering mechanisms around the critical temperature. My contribution to this work was to develop, in collaboration with my PhD advisor Prof. Hung The Diep, the calculation model and the Monte Carlo Metropolis spin transport algorithm. Thanks to this algorithm, I obtained many results which led to the interpretation of different experimental results presented in my thesis. My main contribution to this work is: -The development of a Monte Carlo Metropolis algorithm with numerical tricks for the reduction of statistical fluctuations samples (multi-step averaging) - The study of different ferromagnetic and antiferromagnetic materials (not frustrated). A very significant observation of resistivity behavior around Tc and at low T was seen: the dependence of the peak has Tc depends on well-identified physical variables (interactions: range, nature, relaxation time, lattice, ...) - Study of the frustration effect on the resistivity. Effect of a first order transition on resistivity. - Interpretation of the behavior of the resistivity using numerical data, especially in terms of clusters and relaxation time. - Quantitative study of MnTe and comparison with experiment: excellent agreement. Let us briefly explicit these points in a few words. The first point I would like to emphasize is the new interpretation we gave regarding the scattering mechanisms near the order/disorder temperature transition for non-frustrated lattices. I showed during my PhD that the shape of the resistivity peak around Tc is a direct consequence of two related effects induced by the magnetism of the lattice. Around Tc the lattice percolates and shows large clusters of parallel (antiparallel) spins which represent many areas of low (high) energies for electrons which to go through. In addition lattice spin fluctuations undergo a critical slowing down which produce an extremely slow evolution of the magnetic landscape. The magnetic lattice can be seen as a frozen magnetic state which allows itinerant spins to be trapped in parallel clusters (low energies), giving rise to a peak resistivity at Tc. As a result we emphasize that the study of transport in magnetic systems must take into account the local energy landscape of the magnetic lattice, as well as the dynamics of spin fluctuations as a function of temperature (which were not included in the previous works). These two points allow us to generalize the treatment of resistivity to non-frustrated systems. Frustrated antiferromagnetic systems are characterized by a large number of degenerate states (often infinite in case of Ising spins). However, the thin film structure allows us to make it as a finite degenerate state. We firstly showed that the degeneration of the system induces a first order resistivity transition, and according to the degenerate state of the system, the resistivity can present two kinds of transition: a transition from low to high resistivities with increasing temperature, or vice versa.
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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Dates et versions

tel-00737547 , version 1 (02-10-2012)

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  • HAL Id : tel-00737547 , version 1

Citer

Yann Magnin. Transport de spin dans des matériaux magnétiques en couches minces, par simulations Monte Carlo. Physique Numérique [physics.comp-ph]. Université de Cergy Pontoise, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00737547⟩
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