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# Physique# Science des matériaux

Ingénierie de déformation dans les métaux polaires magnétiques

Des recherches montrent de nouveaux états dans SrCoO en utilisant des techniques de contrainte.

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Table des matières

Les métaux polaires magnétiques sont des matériaux qui combinent les propriétés du magnétisme et de la polarité. Bien que les métaux polaires soient similaires aux ferroélectriques en termes de propriétés électriques, les métaux polaires magnétiques peuvent être considérés comme la version métallique des multiferroïques. Les chercheurs essaient de combiner le magnétisme avec les métaux polaires par divers moyens, y compris la création de nouveaux matériaux et de structures uniques.

Une méthode efficace et couramment utilisée pour y parvenir est l'utilisation de la contrainte épitaxiale. Cette approche consiste à appliquer une pression ou à étirer le matériau pour changer ses propriétés. Dans cette étude, nous nous concentrons sur un matériau spécifique appelé SrCoO, connu pour être un métal capable de former un état magnétique unique lorsqu'il est soumis à une contrainte.

SrCoO et ses propriétés

SrCoO est un matériau qui cristallise dans une structure cubique simple. Il possède des propriétés Ferromagnétiques, ce qui signifie qu'il peut exhiber du magnétisme, et est métallique, lui permettant de conduire l'électricité. À température ambiante, il maintient son ordre ferromagnétique. L'état métallique du SrCoO en fait un candidat intéressant pour étudier les effets de la contrainte sur ses propriétés magnétiques et électriques.

Le rôle de la contrainte épitaxiale

La contrainte épitaxiale peut entraîner des changements significatifs dans les propriétés des matériaux. En appliquant une contrainte, on peut changer la façon dont les atomes d'un matériau sont arrangés, ce qui influence à son tour son comportement électrique et magnétique. Dans le SrCoO, l'application d'une contrainte spécifique permet de stabiliser certains déplacements atomiques au sein du matériau, ce qui est essentiel pour la formation d'un état métallique polaire magnétique.

Quand on applique une contrainte compressive, c'est-à-dire en serrant le matériau, on observe que les atomes de cobalt dans le SrCoO se déplacent dans une direction spécifique. D'un autre côté, lorsque l'on applique une contrainte de traction, qui étire le matériau, les atomes de cobalt se déplacent le long d'un chemin différent. Dans les deux cas, on peut créer un état métallique polaire magnétique qui est intrinsèquement présent dans le matériau.

État métallique polaire ferromagnétique

Dans les bonnes conditions, l'application de contrainte au SrCoO aboutit à un état métallique polaire ferromagnétique. Cela signifie que le matériau reste métallique tout en ayant des caractéristiques polaires et magnétiques. Il est important de noter que les conditions pour atteindre cet état peuvent être contrôlées par la quantité et le type de contrainte appliquée au matériau.

Effets de la contrainte compressive

Lorsque l'on applique une contrainte compressive d'environ 2,4 % à 4 % au SrCoO, on constate que les déplacements des atomes de cobalt s'alignent le long d'un axe particulier. Ce déplacement casse la symétrie d'origine du matériau et aboutit à un nouvel état qui exhibe à la fois du ferromagnétisme et de la polarité. De plus, sous des contraintes compressives encore plus grandes, on peut observer une transition vers un autre état magnétique connu sous le nom d'antiferromagnétisme, où les moments magnétiques adjacents s'alignent dans des directions opposées.

Effets de la contrainte de traction

Pour la contrainte de traction, qui peut également être d'environ 2,9 % à 4 %, un effet similaire est observé, mais le déplacement des atomes de cobalt se produit le long de la diagonale du plan du matériau. Cela donne lieu à un autre état métallique polaire ferromagnétique unique, mais la direction de polarité diffère de celle observée sous contrainte compressive.

Approche computationnelle

Dans notre étude, nous avons utilisé des méthodes computationnelles pour analyser et prédire le comportement du SrCoO sous différentes contraintes. Nous avons utilisé la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT), une technique computationnelle largement utilisée pour comprendre la structure électronique des matériaux. En appliquant la DFT, nous avons pu simuler avec précision le comportement du SrCoO sous différentes conditions de contrainte et prédire comment ses propriétés allaient changer.

Calculs DFT

Nous avons effectué des calculs en utilisant un logiciel spécifique qui permet la simulation des propriétés des matériaux basées sur des principes physiques fondamentaux. Nos calculs incluaient l'évaluation de la structure, de l'énergie et des propriétés électroniques du SrCoO dans sa forme cubique et sous différentes contraintes. Nous avons soigneusement contrôlé des paramètres comme le seuil d'énergie et la méthode d'intégration de la zone de Brillouin pour garantir des résultats précis.

Propriétés bulk du SrCoO

Au départ, nous avons évalué les propriétés bulk du SrCoO dans sa structure cubique. Nous avons constaté que cette structure est stable sans distorsions significatives. L'analyse de la densité d'états (DOS) a révélé que le matériau a un caractère métallique clair avec des propriétés magnétiques. La présence des états de cobalt et d'oxygène près du niveau de Fermi a indiqué de fortes interactions entre ces atomes, contribuant au comportement électrique et magnétique du matériau.

Changements structuraux induits par la contrainte

À travers notre analyse des contraintes compressives et de traction, nous avons exploré comment l'application de ces contraintes entraîne des changements structurels dans le SrCoO. Sous contrainte compressive, nous avons identifié que le SrCoO se transforme de sa structure cubique à une structure tétraédrique. Les changements ne sont pas toujours simples, car certaines contraintes peuvent entraîner une instabilité dans la phase tétraédrique, provoquant des distorsions supplémentaires.

Modes de phonons imaginaires

Dans notre examen du spectre de phonons, nous avons recherché des modes de phonons imaginaires, qui indiquent souvent une instabilité structurelle. Lors de l'application de contraintes compressives, nous avons constaté que de faibles niveaux comme 1 % et 2 % de contrainte maintenaient la stabilité, tandis que des contraintes plus importantes introduisaient des modes imaginaires suggérant que le matériau pourrait subir des transformations supplémentaires.

Identification des structures stables

Pour trouver la structure la plus stable du SrCoO sous diverses contraintes, nous avons considéré différentes combinaisons de modes de phonons imaginaires et leurs interactions. En sélectionnant des modes particuliers, nous avons pu dériver des structures à basse symétrie de la forme tétraédrique initialement stable. L'analyse a révélé huit structures à basse symétrie distinctes, chacune correspondant à divers arrangements des modes de phonons imaginaires.

Calculs d'énergie

En utilisant des calculs d'énergie, nous avons comparé la stabilité de ces structures. Nous avons identifié que l'introduction de certains modes de phonons conduisait à des configurations d'énergie plus basse, indiquant qu'elles étaient plus stables. Parmi les différentes configurations, une structure s'est démarquée, démontrant un état polaire ferromagnétique sous une contrainte compressive de 4 %.

Comportement sous contrainte de traction

Semblable à la contrainte compressive, la contrainte de traction a également introduit des comportements uniques dans le SrCoO. Nous avons constaté qu'à de faibles contraintes de traction, le matériau restait stable, mais au-delà d'un certain seuil, des modes de phonons imaginaires apparaissaient. L'analyse a montré que ces modes pouvaient mener à la formation d'une structure polaire avec des propriétés électroniques distinctes.

Nouvelles structures stables sous contrainte de traction

En introduisant des modes de phonons imaginaires pour des contraintes de traction de 4 %, nous avons dérivé deux nouvelles structures, dont l'une était une structure polaire et l'autre une structure antipolaire. Nous avons confirmé la stabilité de ces structures par des calculs de phonons, indiquant qu'elles n'exhibaient pas de modes de phonons imaginaires dans leurs spectres.

Résumé des résultats

En résumé, notre travail a démontré comment l'application de contrainte au SrCoO peut mener à la formation d'un état métallique polaire ferromagnétique. Nous avons illustré les comportements distincts sous les contraintes compressives et de traction, mettant en évidence le potentiel de trouver de nouveaux métaux polaires magnétiques grâce à l'ingénierie des contraintes. Nos résultats soulignent l'importance de la contrainte épitaxiale dans la modification des propriétés des matériaux et suggèrent des pistes pour la recherche et les applications futures.

Conclusions

L'étude du SrCoO sous contrainte a révélé des possibilités intrigantes dans le domaine des métaux polaires magnétiques. Grâce à des calculs et à des analyses minutieuses, nous avons établi que les contraintes compressives et de traction peuvent mener à la stabilisation d'états magnétiques uniques. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles expériences et explorations théoriques dans la recherche de nouveaux matériaux avec des propriétés magnétiques et électroniques souhaitables.

En s'appuyant sur les principes de l'ingénierie des contraintes, les chercheurs peuvent explorer et développer des matériaux avancés pour des applications en électronique, magnétique et au-delà. Le voyage dans le monde des métaux polaires magnétiques continue, avec des perspectives excitantes à l'horizon.

Source originale

Titre: Ferromagnetic polar metals via epitaxial strain: a case study of SrCoO$_3$

Résumé: While polar metals are a metallic analogue of ferroelectrics, magnetic polar metals can be considered as a metallic analogue of multiferroics. There have been a number of attempts to integrate magnetism into a polar metal by synthesizing new materials or heterostructures. Here we use a simple yet widely used approach--epitaxial strain in the search for intrinsic magnetic polar metals. Via first-principles calculations, we study strain engineering of a ferromagnetic metallic oxide SrCoO$_3$, whose bulk form crystallizes in a cubic structure. We find that under an experimentally feasible biaxial strain on the $ab$ plane, collective Co polar displacements are stabilized in SrCoO$_3$. Specifically, a compressive strain stabilizes Co polar displacements along the $c$ axis, while a tensile strain stabilizes Co polar displacements along the diagonal line in the $ab$ plane. In both cases, we find an intrinsic ferromagnetic polar metallic state in SrCoO$_3$. In addition, we also find that a sufficiently large biaxial strain ($> 4\%$) can yield a ferromagnetic-to-antiferromagnetic transition in SrCoO$_3$. Our work demonstrates that in addition to yielding emergent multiferroics, epitaxial strain is also a viable approach to inducing magnetic polar metallic states in quantum materials.

Auteurs: Zhiwei Liu, Qiuyue Li, Hanghui Chen

Dernière mise à jour: 2024-07-10 00:00:00

Langue: English

Source URL: https://arxiv.org/abs/2407.07349

Source PDF: https://arxiv.org/pdf/2407.07349

Licence: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Changements: Ce résumé a été créé avec l'aide de l'IA et peut contenir des inexactitudes. Pour obtenir des informations précises, veuillez vous référer aux documents sources originaux dont les liens figurent ici.

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