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Magnetoelectric dynamic response of artificial multiferroic heterostructures

Applicant Fernandes Vaz Carlos Antonio
Number 153540
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.04.2015 - 31.03.2019
Approved amount 243'122.00
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Keywords (4)

magnetoelectric coupling; magnetoelectric dynamics; artificial multiferroics; x-ray spectroscopy

Lay Summary (French)

Lead
De nombreux dispositifs technologiques actuels ont fortement bénéficiés du progrès dans le domaine de la science des matériaux au cours de ces dernières années. L'intérêt pour des matériaux avancés avec de nouvelles fonctionnalités ne cesse d’augmenter. Un exemple important est donné par les matériaux appelés multiferroïques, qui se caractérisent par la présence simultanée du magnétisme et de la ferroélectricité. Cette propriété est peu fréquente dans les matériaux présents dans un milieu naturel, raison pour laquelle ils sont fabriqués en laboratoire. L'intérêt de ces matériaux est qu'ils permettent de contrôler le magnétisme à l'aide d'un champ électrique et, inversement, de générer des forces électromotrices à partir de champs magnétiques. Cette particularité ouvre la voie à création de dispositifs électroniques plus efficaces énergétiquement et plus performants.
Lay summary

Réponse dynamique du couplage magnétoélectrique des hétérostructures artificielles multiferroïques

 

 Contenu et objectifs du travail de recherche

 

Notre objectif principal est de déterminer la réponse dynamique des matériaux multiferroïques créés artificiellement et, en particulier, d'étudier la réponse magnétique suite à l'application de courtes excitations électriques. Les systèmes étudiés consistent en couches minces de matériaux ferromagnétique et ferroélectrique, propriétés reliées par couplage électronique à l'interface. Ce couplage génère de nouvelles fonctionnalités, absentes dans les couches magnétiques et ferroélectriques  individuels.

 

Contexte scientifique et social du projet de recherche

 

Notre travail permettra d'acquérir des informations inédites et essentielles sur la réponse électronique d'une nouvelle classe de matériaux, dits multiferroïques, dont le potentiel est d'être utilisé dans de nouveaux dispositifs électroniques. En particulier, l’étude de la réponse temporelle de ces systèmes nous permettra de mieux comprendre les mécanismes responsables du couplage entre les couches magnétique et ferroélectrique à l'interface du système. Compte tenu de l'importance de la vitesse dans les nouvelles technologies de l'information, la détermination de cette réponse dynamique, à l'échelle de la nanoseconde (unité de temps un milliard de fois plus court qu'une seconde), est indispensable pour une application technologique.

Direct link to Lay Summary Last update: 27.11.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Chirally coupled nanomagnets
Luo Zhaochu, Dao Trong Phuong, Hrabec Aleš, Vijayakumar Jaianth, Kleibert Armin, Baumgartner Manuel, Kirk Eugenie, Cui Jizhai, Savchenko Tatiana, Krishnaswamy Gunasheel, Heyderman Laura J., Gambardella Pietro (2019), Chirally coupled nanomagnets, in Science, 363(6434), 1435-1439.
Electric field control of magnetism in Si 3 N 4 gated Pt/Co/Pt heterostructures
Vijayakumar Jaianth, Bracher David, Savchenko Tatiana M., Horisberger Michael, Nolting Frithjof, Vaz C. A. F. (2019), Electric field control of magnetism in Si 3 N 4 gated Pt/Co/Pt heterostructures, in Journal of Applied Physics, 125(11), 114101-114101.
Magnetic properties and domain structure of ultrathin yttrium iron garnet/Pt bilayers
Mendil J., Trassin M., Bu Q., Schaab J., Baumgartner M., Murer C., Dao P. T., Vijayakumar J., Bracher D., Bouillet C., Vaz C. A. F., Fiebig M., Gambardella P. (2019), Magnetic properties and domain structure of ultrathin yttrium iron garnet/Pt bilayers, in Physical Review Materials, 3(3), 034403-034403.
Computational logic with square rings of nanomagnets
Arava Hanu, Derlet Peter M, Vijayakumar Jaianth, Cui Jizhai, Bingham Nicholas S, Kleibert Armin, Heyderman Laura J (2018), Computational logic with square rings of nanomagnets, in Nanotechnology, 29(26), 265205-265205.
Study of magneto-electric coupling between ultra-thin Fe films and PMN-PT using X-ray magnetic circular dichroism
Avula S. R. V., Heidler J., Dreiser J., Vijayakumar J., Howald L., Nolting F., Piamonteze C. (2018), Study of magneto-electric coupling between ultra-thin Fe films and PMN-PT using X-ray magnetic circular dichroism, in Journal of Applied Physics, 123(6), 064103-064103.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Dr Joerg Raabe/Paul Scherrer Institut Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Dr Urs Staub/Paul Scherrer Institut Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Prof. PD Dr. Christof Schneider/Paul Scherrer Institut Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Prof. Dr. Frithof Nolting/Paul Scherrer Institut Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Dr Michael Horisberger/Paul Scherrer Institut Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Christoforos Moutafis Great Britain and Northern Ireland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Prof. Charles Ahn/Yale University United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
SPS Annual Meeting 2018 Poster Presence of Neel Skyrmions in magnetic thin film with inplane anisotropy 28.08.2018 Lausanne, Switzerland Fernandes Vaz Carlos Antonio; Vijayakumar Jaianth;
Swiss nanoconvention, 2018 Poster Morphology and Structural evolution of Co oxide nanoparticles 06.06.2018 ETH Zuerich, Switzerland Fernandes Vaz Carlos Antonio; Vijayakumar Jaianth;
Meeting of the Swiss Physical Society Meeting 2017 Poster Electric field control of magnetism through field effects in perpendicularly magnetized multilayers 21.08.2017 Geneva, Switzerland Vijayakumar Jaianth; Fernandes Vaz Carlos Antonio;
39th International conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics Poster Magnetoelectric dynamic response of artificial multiferroic heterostructures 03.07.2016 Zuerich, Switzerland Fernandes Vaz Carlos Antonio; Vijayakumar Jaianth;


Awards

Title Year
Swiss Physical Society (SPS) Best Poster Award 2018 2018

Use-inspired outputs

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
157743 Molecular Beam Epitaxy deposition system for the SIM beamline at the Swiss Light Source 01.08.2015 R'EQUIP

Abstract

The current need for advanced materials with enhanced functionalities has been the driving force for much research in novel materials and artificial heterostructures. A prominent example is that provided by multiferroic materials, which are characterised by the simultaneous presence of, and a coupling between, magnetic and ferroelectric orders. Such functionality could enable the electric field control of magnetism or the magnetic generation of electromotive forces in the solid state, features that have a strong potential for device applications and which is a key motivation behind the current interest in these materials systems. In this proposal, we aim to investigate the time response of the magnetoelectric coupling in artificial multiferroic heterostructures based on complex oxides, with emphasis on the magnetic response of the system to fast electric excitations in the relevant time scale from 1-1000 ps. The magnetic response will be measured in a pump-probe manner using time-resolved magneto-optic Kerr effect and spatially-resolved advanced synchrotron x-ray spectroscopy techniques, which have intrinsic time resolutions of the order of 100 fs and 100 ps, respectively, and spatial resolutions down to 15 nm. By probing the magnetoelectric time response of charge-mediated artificial multiferroics with x-ray spectroscopy, we expect to learn which electronic mechanisms are responsible for the coupling between charge and spin at the interface and how such mechanisms operate in the time and space domain. This research work is made possible by a unique combination of characterisation tools only available at the Swiss Light Source and will pioneer fast switching magnetoelectric dynamics in multiferroic materials. It will have the merit of benchmarking the time response of such systems, which is critical for device applications.
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