Les cristaux magnétiques à deux dimensions (2D) sont une famille de solides sur lesquels presque tout reste à découvrir. La physique de ces cristaux est originale, et soulève des questions sur l'évolution de comportement magnétique induite par une variation du nombre de couches, l'anisotropie nécessaire pour que l'ordre magnétique surpasse les fluctuations thermiques, les conditions optimisant la température de transition, etc.

Une voie de recherche de cette physique de basse dimensionnalité a récemment été ouverte par la découverte d'un nouveau système: les phases MAX magnétiquement ordonnées et basées sur les terres rares (TR). Les phases MAX forment une famille de matériaux nano-laminaires où M est généralement restreint aux métaux de transition, A est un élément du groupe A et X est C ou N. Ils offrent une combinaison unique de propriétés métalliques ou de céramiques, qui est due à leur structure atomique nano-laminaire. L'ajout de TR ordonnées et de caractéristiques magnétiques ouvre de nouveaux horizons, de la spintronique à la réfrigération, même si le travail de recherche a jusqu'ici été centré sur la découverte de nouvelles phases magnétiques et sur les propriétés magnétiques fondamentales. L'avantage majeur des phases MAX basées sur les TR repose sur la modification aisée de l'environnement local par un changement de TR, ce qui permettrait par ailleurs de répondre à des interrogations intéressantes et importantes. Les cristaux de ces carbures nano-laminaires peuvent être exfoliés. La production de feuilles 2D ferromagnétiques pourrait être appliquée à l'injection et à la détection de spin et ainsi ouvrir la voie aux applications de spintronique et d'informatique quantique.

Le sujet de thèse est concentré sur l'étude des propriétés magnétiques de phases 'RE-i-MAX' de composition Mo4RE4Al7C3 et Mo4RE2Al3C3. Notre objectif est d'utiliser le ferromagnétisme du réseau périodique d'atomes de TR pour induire une polarisation de spin des électrons libres 2D au niveau de Fermi, qui sont localisés dans les plans d'atomes de Mo. Le défi principal est alors de sonder les propriétés magnétiques des atomes de Mo et de TR séparément à l'aide de méthodes de spectroscopie à rayonnement synchrotron comme le XMCD (X-ray Magnetic Circular Dichroism), développé à l'ESRF sur la ligne ID12. Le groupe de Grenoble est le seul laboratoire au monde à faire croître des cristaux de phases MAX de dimension macroscopique, et a déjà produit avec succès des cristaux millimétriques de 4 phases découvertes sous forme de poudre à l'université de Linköping (LiU). Les objectifs primaires de cette thèse sont alors de : (i) faire croître des cristaux de taille macroscopique et de haute qualité, (ii) d'établir la relation entre la structure atomique et les propriétés physiques grâce à diverses techniques de caractérisation (TEM, SQUID, magnéto-transport) et (iii) d'étudier les propriétés magnétiques et électroniques de chaque élément des phases MAX de façon individuelle. La thèse est co-financée par le programme IDEX ISP et par l'ESRF, ce qui permettra de bénéficier des expertises de chacun des partenaires de façon à produire de la recherche de pointe et de fort impact sur cette nouvelle famille de solides à deux dimensions.