L’anisotropie de l’aimantation : un paramètre important de l’étude de l’anisotropie magnétocristalline^(*)

Magnetization anisotropy : an important parameter for the study of the magnetocrystalline anisotropy

Université Scientifique et Médicale de Grenoble Laboratoire de Magnétisme (C. N. R. S.), B. P. 166, Centre de Tri — F 38042 Grenoble Cedex, France.

Résumé

Ce travail s’inscrit dans l’ensemble des études poursuivies au Laboratoire de Magnétisme du Centre National de la Recherche Scientifique à Grenoble sur l’anisotropie magnétocristalline. Cette étude constitue l’un des sujets fondamentaux du magnétisme et malgré les efforts déployés depuis de nombreuses années il n’existe aucune solution satisfaisante du problème dans le cas des métaux de transition 3d. De plus, on se heurte à des difficultés expérimentales considérables dès que l’on veut dépasser le stade de la mise en évidence d’axes de facile et difficile aimantation et de l’évaluation de l’ordre de grandeur de l’énergie d’anisotropie.

Dans le premier chapitre de ce mémoire nous rappelons brièvement les données du problème de l’anisotropie magnétocristalline et nous développons l’analyse thermodynamique rigoureuse qui seule permet de définir sans ambiguïté les notions d’anisotropie de l’énergie libre et d’anisotropie de l’aimantation. Nous passons en revue les diverses méthodes de mesure possibles et nous montrons que les mesures de couple sont susceptibles de fournir l’approche la plus précise du phénomène.

Le second chapitre est consacré à la description de l’appareillage réalisé et à la discussion de ses performances.

Au chapitre III nous analysons l’interprétation des mesures de couples c’est-à-dire l’important travail qu’il faut effectuer pour tirer, des informations expérimentales brutes, les grandeurs introduites par l’étude thermodynamique.

Au chapitre IV nous exposons les résultats obtenus pour l’anisotropie de l’énergie libre et l’anisotropie de l’aimantation du nickel, du fer et du Y. I. G. entre 2 K et 300 K. Ceux-ci confirment un certain nombre de résultats déjà obtenus précédemment sur l’anisotropie de l’énergie libre mais sont complètement originaux en ce qui concerne l’anisotropie de l’aimantation et les coefficients d’anisotropie d’ordre supérieur. Dans le cas du Y. I. G dont l’anisotropie de l’aimantation n’avait jamais été mesurée nous mettons en évidence un comportement singulier à basse température.

Enfin au chapitre V nous présentons un bref résumé des théories les plus récentes sur l’anisotropie magnétocristalline des métaux 3d et nous proposons dans un modèle de bande, une interprétation originale des corrélations entre les variations thermiques de l’anisotropie de l’énergie libre d’une part et celles de l’anisotropie de l’aimantation d’autre part. Malgré les approximations introduites ce modèle simple donne des résultats encourageants y compris d’un point de vue quantitatif (valeur des densités d’états au niveau de Fermi pour les bandes d de spins ↑ et ↓).

Abstract

This research is part of a continuing program on magnetocrystalline anisotropy of the Laboratory of Magnetism at the C. N. R. S. This fondamental problem has not yet been solved satisfactorily for the 3d transition metals, although it has been many years since it was first begun. Moreover, if one wants to go further than the determination of the easy magnetization direction and wants to evaluate the order of magnitude of the anisotropy energy, one has to face great experimental difficulties.

In Chapter I we summarize the magnetocrystalline anisotropy problem and develop the rigorous thermodynamical analysis which is the only tool for defining unambigously the free-energy and magnetization anisotropies. A revue of the experimental methods is given and we show that the torque measurements should be the best for investigating such problems.

In Chapter II, we describe the apparatus which was developped in this laboratory and we discuss the results which one can obtain.

In Chapter III, the torque measurements data are used in order to determine the values of the functions which were introduced in the thermodynamical analysis.

In Chapter IV, we give the results obtained for the free- energy and magnetization anisotropy for Ni, Fe and YIG between 2 K and 300 K. Our results for the free energy anisotropy are in agreement with those already available in the literature. On the other hand our results on the magnetization anisotropy along with the anisotropy coefficients of higher orders are original. In the case of YIG whose magnetization anisotropy has never been determined before we show a peculiar behavior at low temperature.

Finally, in Chapter V, we present a brief account of the most recent theories on the magnetocristalline anisotropy for the 3d transition metals. We propose a band model in which the correlations between the thermal variation of the free energy anisotropy on one side and the thermal variation of the magnetization anisotropy on the other are taken into account. Although some approximations were introduced, our simple model gives encouraging results even from the quantitative point of view (as for instance the value of the density of states at the Fermi level for the d bands with the spins up and down).