Étude d'un appareillage destiné à la mesure de l'effet magnéto-électrique entre 1,8 °K et 330 °K

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Étude d’un appareillage destiné à la mesure de l’effet magnéto-électrique entre 1,8 °K et 330 °K

M. Mercier

To cite this version:

M. Mercier. Étude d’un appareillage destiné à la mesure de l’effet magnéto-électrique entre 1,8 °K et 330 °K. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1967, 2 (2), pp.109-113.

�10.1051/rphysap:0196700202010900�. �jpa-00242770�

ÉTUDE D’UN APPAREILLAGE

DESTINÉ A LA MESURE DE L’EFFET MAGNÉTO-ÉLECTRIQUE

ENTRE 1,8 °K ET 330 °K

Par M. MERCIER,

Laboratoire d’Électrostatique

^et

^de Physique ^du Métal, C.N.R.S., ^Grenoble.

Résumé. 2014 On décrit

^un

ensemble de

mesure

de l’effet magnéto-électrique, induit par

^un

champ électrique, ^{à des} températures comprises ^{entre 1,8 °K et 330 °K. On} commente les courbes indiquant ^le comportement ^{de la} susceptibilité magnéto-électrique ^de Cr2O3 ^et Fe1,15Ga0,85O3

^en

^{fonction de la} température.

Abstract.

²⁰¹⁴

We describe

^a

device for measuring ^the magneto-electric ^{effect, induced} by

^an

electric field, ^with temperatures ^between 1.8 °K and 330 °K. Curves, illustrating ^{the behaviour}

of the magneto-electric susceptibility ^of Cr2O3 ^and Fe1.15Ga0.85O3

^versus

^the temperature,

^are

plotted and commented

on.

1. Introduction.

^-

A l’aide des grandeurs, champ électrique ^E, champ magnétique H, quantité ^{de cha-}

leur 8Q et déplacement X,

^on

peut construire

un

tétra- èdre ( fig. 1). ^Le couplage de deux de

ces

grandeurs

FIG. 1.

^-

Tétraèdre représentant ^les couplages

entre les grandeurs ^{E, H,} 8Q, ^X.

donne lieu à plusieurs

^«

effets » : l’effet thermomagné- tique, ^l’effet piézoélectrique, ^l’effet pyroélectrique, ^etc.

Vers 1930, plusieurs essais avaient été faits _pour mettre

en

évidence le couplage magnéto-électrique [1], [2].

L’échec de

ces

tentatives rejeta ^cette question ^dans

l’ombre.

En 1958, ^{Landau et Lifshitz} [3], ^dans

^un

^article

consacré à la symétrie magnétique, réémirent l’idée de la possibilité théorique ^du couplage magnéto- électrique. ^Peu après,

^en

1959, Dzyaloshinskii [4]

indiqua ^{comment les} éléments de symétrie magné- tique [5] ^et cristallographique ^de Cr2o3 ^sont propices

à l’apparition ^{de cet} effet. C’est Astrov [6],

^en

1960, qui ^mit

^en

évidence, pour la première fois,

^son

^exis-

tence

sur un

monocristal,

^non

orienté, ^de Cr2o3.

Ainsi il peut exister des corps pour lesquels l’applica-

tion d’un champ électrique ^induit

^un

^moment magné- tique,

^ce

que

^nous

^noterons l’effet (M.E.)E. Récipro-

quement, ^il

^se

peut que l’application ^d’un champ magnétique ^induise

^une

polarisation électrique,

^ce

que

nous

noterons l’effet (M.E.)H.

Dans le cadre de ^cette publication,

^{nous nous}

sommes

seulement attaché à l’étude de l’effet (M.E.) E.

La susceptibilité magnéto-électrique s’écrit dans

ce cas oc ⁼

403C0/E,

^oc

^étant

^sans

dimension dans le

système de Gauss que

^nous

utilisons.

I I. Appareillage. - 1) GÉNÉRALITÉS.

^-

Pour étu- dier l’effet (M.E.) E, ^il s’agit d’appliquer ^à l’échantillon

un

champ électrique ^{et de}

^mesurer

^par

^un

dispositif approprié ^{le moment} magnétique induit. Nous

avons

choisi de travailler

en

courant alternatif à 1 kHz.

Cette fréquence ^est favorable du fait qu’elle ^{est suffi-}

samment éloignée ^{de celle du secteur pour que}

^ce

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0196700202010900

110

dernier

ou ses

harmoniques importants introduisent peu de parasites ^{dans le} système ^de détection. En outre, ^{elle est} suffisamment basse pour réduire considé- rablement les couplages parasites. ^Dans le but de connaître l’évolution de la susceptibilité magnéto- électrique

^{a en}

fonction de la température, ^notam-

ment

au

voisinage ^des points de transition magnétique,

nous avons

utilisé

un

cryostat ^à température ^variable

de 1,8 ^{oK à 330 oR.}

2) ^CELLULE

^{DE MESURE. -}

^Le problème ^le plus ^déli-

cat posé par la mise

^au

point ^de l’appareillage

^a

^{été la}

réalisation d’une cellule de

mesure

convenable ( fig. ²

et 3). D’après

^ce

que

^nous

savions de l’effet (M.E.) E,

a

était très faible (de l’ordre de 10-4). Ainsi il fallait

FiG. 2.

^-

Schéma de principe de la cellule de

mesure.

en un

même endroit appliquer

^un

champ électrique

élevé et recueillir

un

moment magnétique très faible.

La cellule est percée

^{en son}

^{centre d’un trou} cylin- drique ^dans lequel ^{est introduit}

^un

support

^en

^téflon

où est placé l’échantillon. Doté d’électrodes

en

fils

d’or, ^fixées

^avec

^{de la} pâte d’argent, l’échantillon est

relié à des câbles coaxiaux à isolement téflon

(50 PPDTE) qui conduisent la tension issue d’un

générateur. ^{Une bobine de}

^mesure

^{entoure le} porte- échantillon. Elle est constituée de 8 000 spires ^{de fil}

de cuivre émaillé de 5/100 ^de

^mm

d’épaisseur. ^La

résistance de cette bobine est de 1 980 ohms à la

température ^ambiante.

Un problème important ^{devait être} résolu : celui de la suppression de l’influence directe du champ ^élec- trique alternatif appliqué,

^sur

la bobine de détection.

Pour avoir

une

idée de la difficulté de cette opération,

notons qu’avec

^une

tension de 300 V il

ne

fallait pas avoir plus ^de 0,2 03BCV d’influence directe, ^soit

^un

rap-

port 1,5 ^X 109, ^{et cela} malgré ^la petite ^{distance entre}

l’échantillon et la bobine, ^rendue obligatoire par la

petitesse ^{du moment} magnétique ^à

^mesurer.

^C’est

pour cela _que

nous avons

réalisé

un

blindage ^métal- lique très mince entre l’échantillon et la bobine. Ce

blindage ^est directement relié

au

zéro électrique ^de

l’ensemble. Grâce à la faible épaisseur adoptée ^{et à} l’emploi ^d’une fréquence d’utilisation de 1 kHz, ^le

courant induit par le ^moment magnétique ^{dans la}

bobine n’est que très peu atténué.

FIG. 3.

^-

Cryostat ^et cellule de

mesure

1. Sorties de

mesure. ^-

2. Passage ^du fluide cryo-

génique.

^-

^{3. Enceinte d’azote} liquide.

^-

^{4. Enceinte}

d’H2

ou

d’He liquide.

^-

^{5. Vide.}

^-

^6. Échangeur ^ther-

mique

^en

cuivre massif.

^-

7. Écran

^en

cuivre.

^-

8. Tube

en

inox.

^-

9. Échangeur thermique

^en

cuivre. -10. Tube

en

cuivre. -11. Résistance thermique

^en

inox. -12. Ré- sistance chauffante. - 13. Câbles coaxiaux. - 14. Cellule de

mesure.

L’axe de la cellule est perpendiculaire ^{à l’axe du}

cryostat,

^ce

qui permet

^une

plus grande souplesse pour l’orientation de l’échantillon vis-à-vis d’un champ magnétique extérieur éventuel.

3) ^MESURE

^{DE LA} TENSION INDUITE PAR

L’EFFET

(M.E.)E.

^-

Du fait de la petitesse ^des signaux ^à

mesurer,

nous avons

adopté

^un

système ^de

^mesure

utilisant

un

amplificateur ^{à détection} synchrone

FIG. 4.

^-

Schéma synoptique

de l’appareillage ^de

^mesure

^{de l’effet} (M.E.)E.

(fig. 4). ^Nous

^avons

^{réussi à} supprimer

^une

grande partie ^des parasites noyant ^le signal

^en

^isolant complè-

tement l’appareillage ^{du secteur. Ceci}

^{nous a}

^conduit

à adopter

^un

^zéro électrique indépendant ^{de la}

^masse

de l’installation électrique du laboratoire. Le signal

issu de la bobine ^est conduit à l’entrée d’un amplifica-

teur sélectif à faible bruit, ^de gain 105, ^{suivi du} dispo-

sitif de détection synchrone [7]. ^Nous

^avons

^utilisé

^un

appareil fabriqué

^au

CEN-G., auquel quelques ^modi-

fications ^ont été apportées.

Un signal ^de référence, convenablement amplifié ^et écrêté, pilote le circuit de détection (fig. 4). ^Il

^ne

^laisse

passer que la composante ^du signal ^détecté qui

^a

^la

même fréquence ^et

^une

différence de phase ^constante

par rapport ^{à lui. Le} signal de référence est issu du même générateur que la tension appliquée ^{à l’échan-}

tillon. Le démodulateur redresse

en

outre les deux alternances du signal ^à

^mesurer.

^Une grande ^constante

de temps de l’ordre de quelques secondes élimine les fluctuations qui

^se

produisent ^{encore, et la} composante continue, finalement obtenue, ^{est lue}

^{sur un}

^milli-

voltmètre électronique ^{Metrix de} type ^745.

Pour s’assurer du bon fonctionnement du dispositif

décrit ci-dessus,

^un

cristal de quartz

^a

été introduit dans la cellule de

mesure.

Dépourvu ^d’ions magné- tiques, ^il

^ne

peut pas donner d’effet M.E. En appli-

quant

^au

^cristal

^une

^tension élevée,

^nous

n’avons pas détecté de signal parasite supérieur ^{à 10 mV}

^en

^sortie

alors que l’effet M.E. donne des valeurs de l’ordre du volt. Ces 10 mV correspondent ^à 0,203BCV aux ^bornes

de la bobine de détection de 8 000 spires.

4) ^CRYOSTAT

^A

TEMPÉRATURE RÉGLABLE

DE

1,8 ^OK

A

330 oK.

^-

Le cryostat ^utilisé ( fig. 3) [8]

^a

^{été fabri-} qué

^aux

ateliers du CEN-G. Il présente ^la particularité

très intéressante d’être entièrement démontable,

^ce

qui permet ^{toutes les} modifications ^et réparations ^néces- saires, avantage considérable par rapport

^aux

cryo- stats classiques entièrement soudés.

A 4,2 ^{OK la} consommation moyenne ^est de 100 litres gazeux par heure,

^ce

qui correspond ^à

^une

^autonomie

de 40 heures environ.

La température ^{est mesurée à} l’aide d’une résistance de carbone jusqu’à ^{25 OK et}

^une

résistance de platine

pour les températures supérieures. ^La

^mesure

^{de la}

valeur de la résistance est assurée par

^un

pont ^Meci

de type ^{SKM et}

^un

galvanomètre Sefram de type VSID. La précision ^de

^mesure

^{est meilleure} que 0,5°.

III. Mesure de oc( T) ^sur

^un

^{cristal de} Cr2o3’

^-

1) PROPRIÉTÉS

DE

Cr2o3.

^-

^{La maille} magnétique [9]

( fig. 5) ^de Cr2o3 ^est identique ^à la maille chimique

FIG. 5.

^-

Maille magnétique ^et chimique ^de Cr203.

et les quatre ions Cr+++ sont disposés

^sur

^{l’axe ter-}

naire du rhomboèdre dans les positions + (xxx) ^et

=L (1/2 +x, 1/2 +x, 1/2 +x). ^La classe de symétrie magnétique ^de Cr2o3 contient les éléments suivants :

2C3, 3U2, ^IR, 2S6R, 3adR [4]. Sous l’action de

ces

opérateurs, Ez Hz ^et Ex Hx ^{-f -} Ev Hy ^restent invariants,

et par conséquent ^des couplages ^{M.E. sont autorisés}

dans

ces

directions. Le potentiel thermodynamique

s’écrit alors [11] :

où (po ^est la valeur de _cp lorsque ^E

⁼

^H

⁼

^{0. s} et y

sont la constante diélectrique ^{et la} perméabilité magné-

tique ^usuelles.

112

2) ^MESURE

^{DE LA}

SUSCEPTIBILITÉ 03B1(T).

^-

^NoüS

avons

utilisé

une

sphère ^de Cr2o3 taillée dans

un

échantillon fabriqué ^à l’aide d’un four Verneuil.

Orientée suivant l’axe ternaire

avec un

appareil ^de

rayons X, ^{la bille}

^a

alors été placée dans la cellule

entre deux électrodes constituées, ^dans

^ce

cas, par deux fines plaques ^de métal, ^tandis que du dichloréthane était introduit également ^entre

^ces

^deux plaques ^afin

d’obtenir

un

champ électrique homogène perpendi-

culaire

aux

électrodes puisque ^les constantes diélec-

triques ^de Cr203 ^{et du} dichloréthane sont très voisines.

La courbe suivante

a

été obtenue (fig. 6).

FIG. 6.

^-

Susceptibilité magnéto-électrique ^de Cr,O,

en

fonction de la température.

3) INTERPRÉTATION.

^-

Le flux, produit par le

moment magnétique induit, ^est donné par l’expression:

ç

⁼

(203C0l03BDm/R). (1 ⁺ l2/4R2)-1/2

en

supposant que la bille peut ^être assimilée à

un

doublet magnétique petit par rapport ^{à la bobine.}

l, R, v ^sont respectivement ^les longueur, rayon ^et nombre de spires par unité de longueur ^{de la} bobine,

m

est le moment magnétique. ^{En tenant} compte ^du

champ démagnétisant ^et de la différence des constantes

diélectriques si ^de Cr203 ^et Ee du dichloréthane, ^il

vient :

où Ez ^{est le} champ appliqué,

^a

^{le rayon de la} sphère

et

n

le nombre total de spires ^{de la} bobine. On

^en

déduit la valeur de

03B1

connaissant la valeur de la ten- sion induite dans la bobine.

Le champ électrique ^étant appliqué ^le long ^{de l’axe} ternaire,

nous avons

obtenu la susceptibilité paral-

lèle r:J..1I dont la valeur maximum

^a

été évaluée à 10 X 10-4 approximativement. ^La température ^de disparition de l’effet M.E. est de 35 ()C -4- 0,50. ^Nous

retrouvons l’allure de la courbe tracée par Astrov [10].

Cependant,

nous avons

trouvé

une

température ^de changement ^de signe plus élevée. Cela ^est

sans

doute dû à

une

légère désorientation de l’axe ternaire par rapport ^à l’axe de la bobine,

^ce

qui ^donnerait

^une

contribution de l’effet perpendiculaire.

Si l’on suppose que le ^moment magnétique ^{est dû}

à

un

champ magnétique hz ^tel qu’il ^{ait le même effet}

que le champ électrique appliqué Ex,

^on

peut ^écrire

avec

Rado [11] :

et

Il semble raisonnable de supposer que hz

^a

^la

forme :

L’aimantation à champ nul du sous-réseau s’écrit :

où N/2 ^est le nombre d’ions Cr _par unité de volume,

situés

sur

chacun des deux sous-réseaux. Sz>m ^est

la valeur thermique moyenne du spin. ^{Il vient :}

Ainsi, donc, l’allure de la variation de la susceptibilité

M.E.

en

fonction de la température ^serait prévisible

en

calculant Mo Xll. Rado, par la théorie du champ

moléculaire de Néel-Van Vleck [12], appliquée ^à

^un

antiferromagnétique ^{à deux} sous-réseaux,

^a

^calculé

la courbe théorique pour Cr2o3. ^Il

^a

effectivement montré _que les courbes théorique ^et expérimentale

sont très voisines, ^sauf

^vers

les basses températures où,

entre autres, la courbe théorique

^ne

présente pas de

changement ^de signe.

Effet (M.E.)E

^{sur un}

échantillon de poudre ^de Cr2o3.

^-

Nous

avons

également ^mis

^en

évidence l’effet (M.E.)E

sur un

échantillon formé

avec

de la poudre ^frittée

de Cr2o3, échantillon qui ^{fut tout} d’abord chauffé au-dessus du point ^{de Néel.} Puis, après ^avoir appliqué

un

champ électrique ^{de 7 000} V/cm ^et

^un

champ magnétique ^{de 3 000 Oe, tous les deux continus,}

l’échantillon

a

été ramené lentement à

une

tempéra-

ture inférieure à TN ^dans

^une

^enceinte thermique spécialement aménagée. ^{Puis la}

^mesure

de l’effet

(M.E.) E s’est effectuée de la même manière que pour

un

cristal. Nous

avons

observé

un

signal ^{de valeur} égal ^{à 15} % ^{environ du} signal

^en

provenance du cristal de Cr2o3 [13].

IV. Mesure de B1..( T) ^de Fe1,15Ga0,85O3.

^-

1) ^PRO-

PRIÉTÉS

DE

Fe,,Ga2-xo3*

^-

Le ferrite de gallium ^est

FIG. 7.

^-

Susceptibilité magnéto-électrique

de Fe1,15Ga0,85O3

^en

fonction de la température.

un

ferrimagnétique [14] piézoélectrique [15] appar- tenant

au

groupe magnétique 2. m qui autorise les

couplages ^du type Ey Hz ^et EzHy. ^{En raison de}

l’anisotropie magnéto-cristalline [16],

nous avons

essayé ^{de mettre}

^en

évidence l’effet (M.E.) E

^en

appliquant

^un

champ électrique ^suivant l’axe y pour obtenir

^un

^moment magnétique suivant l’axe

z.

Le monocristal étudié

a

la stoechiométrie suivante :

Fe1,15Ga0,85O3. Pour observer l’effet (M.E.)E, ^{il est}

nécessaire d’appliquer

^en

permanence

^au

cristal

un

champ magnétique ^continu (H

⁼

^{3 000} Oe) produit

par

^un

aimant permanent. ^La courbe suivante ( fig. 7)

a

été obtenue.

2) EXPLICATIONS.

^-

Sur le graphique,

^{nous avons}

représenté également la courbe obtenue _par Rado [17]

que

^{nous avons}

arbitrairement normée par rapport ^à la nôtre. Dans

une

communication récente dont seul

un

résumé

a

paru [18], ^Rado indique

^un

comporte- ment,

^en

dessous de la température de l’azote liquide,

très semblable à celui _que

nous avons

observé. Le

point de Néel n’a pas pu être atteint

car

le cristal devient conducteur quelques degrés au-dessus de 0 OC.

Ne connaissant _pas l’exacte valeur du pourcentage ^de fer de l’échantillon utilisé par Rado, ^{il est} possible

que TN ^varie

^{avec ce}

pourcentage.

Rado

a

interprété l’allure de la courbe qu’il

^a

obtenue [17] ^{à l’aide} d’un modèle antiferromagnétique

à deux sous-réseaux

non

rigoureusement parallèles.

La nature ferrimagnétique du ferrite de gallium, qui

a

été tout récemment établie [14] par diffraction

neutronique ^et par

^mesure

magnétique, devrait donner lieu à

un

nouvel essai d’interprétation.

V. Conclusions.

^-

Les études faites

sur

l’oxyde ^de

chrome et le ferrite de gallium ^{ont contribué à la}

mise

au

point de l’ensemble de

mesure

décrit ci-dessus.

Nous poursuivons l’étude de l’effet M.E.

sur

d’autres corps à l’aide des critères de symétrie qui

^en

^autorisent

ou non

la présence ^et par des études expérimentales.

Remerciements.

^-

Je ^{remercie M.} le Professeur Bertaut qui ^m’a suggéré ^{cette étude.} Je ^remercie également l’aspirant Gareyte, ^{mis à}

^ma

disposition

par la D.R.M.E., pour l’aide qu’il ^m’a apportée. ^Les

cristaux de Cr2o3 ^et FexGa2_x03 ^ont été aimablement fournis par MM. Buisson ^et Mareschal. Ces travaux ont pu être réalisés grâce ^à l’aide fournie par la D.R.M.E.

Manuscrit reçu ^le 29 novembre 1966.

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