Dynamical magnetoelectric coupling in multiferroic compounds : iron langasites and hexagonal manganites

Couplage magnéto-électrique dynamique dans les composés multiferroïques : langasites de fer et manganites hexagonaux

Laura Chaix (1, 2)

1 NEEL - Institut Néel
2 ILL - Institut Laue-Langevin

This experimental thesis is motivated by the study of the dynamical properties of multiferroic compounds : the iron langasites Ba3NbFe3Si2O14 and Ba3TaFe3Si2O14 and the hexagonal manganite ErMnO3. These investigations were performed using two complementary experimental techniques : FIR and THz spectroscopy and neutron scattering (with polarized and unpolarized neutrons). In the iron langasites, magnetoelectric excitations were observed. These excitations have been interpreted as atomic rotation modes excited by the magnetic component of the electromagnetic wave. On the other hand, weak modulations of the magnetic structure were also evidence in the Ba3NbFe3Si2O14 compound by observing experimental evidence inconsistent with the published magnetic structure. These evidence were forbidden and higher order magnetic satellites as well as an extinction in the spin-waves spectrum. The magnetic order deduced from this study presents a bunched modulation of the helix and the structural loss of the 3-fold axis. These modulations are compatible with the magnetoelectric excitations and the multiferroicity recently evidenced in this compound. In parallel, the magnetoelectric dynamical properties of the hexagonal manganite ErMnO3 have been investigated. An electromagnon has been observed corresponding to a Mn magnon excited by the electric component of the electromagnetic wave. From comparison with the YMnO3 compound, this electromagnon was interpreted as a hybrid mode between an electricallyactive Er crystal field excitation and a Mn magnon.

Cette thèse expérimentale a pour motivation l'étude des propriétés dynamiques des composés multiferroïques : les langasites de fer Ba3NbFe3Si2O14 et Ba3TaFe3Si2O14 et le manganite hexagonal ErMnO3. Ces investigations ont été réalisées grâce à l'utilisation de deux techniques expérimentales complémentaires : les spectroscopies FIR et THz et la diffusion de neutrons (polarisés et non polarisés). Dans les langasites de fer, des excitations magnéto-électriques ont été observées. Celles-ci ont été interprétées comme des modes de rotation atomique excités par la composante magnétique de l'onde électromagnétique. D'autre part, des modulations fines de la structure magnétique ont également été mises en évidence dans le composé Ba3NbFe3Si2O14 par l'observation de faits expérimentaux incompatibles avec la structure magnétique publiée avant cette étude. Il s'agissait de satellites magnétiques interdits et d'ordre supérieurs ainsi qu'une extinction dans les ondes de spin. La structure magnétique déduite de cette étude correspond à une modulation en accordéon des hélices de spin et à une perte structurale de l'axe de rotation d'ordre 3. Ces modulations sont compatibles avec les excitations magnéto-électriques et la multiferroïcité récemment mise en évidence dans ce composé. En parallèle, les propriétés magnéto-électriques dynamiques du manganite hexagonal ErMnO3 ont été étudiées. Un électromagnon a été observé correspondant à un magnon du Mn excité par la composante électrique de l'onde électromagnétique. Par comparaison avec le composé YMnO3, cet électromagnon a été interprété comme résultant d'une hybridation entre une excitation de champ cristallin de l'Er active électriquement et un magnon standard du Mn.

Mots clés: Electromagnons; Magnetoelectric; Excitations; Neutron scattering; THz spectroscopy; Multiferroism

Mots clés: Electromagnons; Magnéto-électrique; Excitations; Diffusion de neutrons; Spectroscopie THz; Multiferroïsme

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]

Laura Chaix. Couplage magnéto-électrique dynamique dans les composés multiferroïques : langasites de fer et manganites hexagonaux. Matière Condensée [cond-mat]. Université de Grenoble, 2014. Français. ⟨NNT : 2014GRENY031⟩. ⟨tel-01331542v2⟩