Des chercheurs de la NTNU font la lumière sur les matériaux magnétiques à petite échelle en créant des films à l'aide de rayons X extrêmement brillants.
Erik Folven, codirecteur du groupe d'électronique des oxydes au département des systèmes électroniques de la NTNU, et ses collègues de la NTNU et de l'Université de Gand (Belgique) ont cherché à comprendre comment les microaimants à couches minces évoluent lorsqu'ils sont perturbés par un champ magnétique extérieur. Ces travaux, financés en partie par NTNU Nano et le Conseil norvégien de la recherche, ont été publiés dans la revue Physical Review Research.
Petits aimants
Einar Standal Digernes a inventé les minuscules aimants carrés utilisés dans les expériences.
Les minuscules aimants carrés, créés par le candidat au doctorat de la NTNU Einar Standal Digernes, ne mesurent que deux micromètres de large et sont divisés en quatre domaines triangulaires, chacun avec une orientation magnétique différente pointant dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour des aimants.
Dans certains matériaux magnétiques, de plus petits groupes d'atomes se regroupent en zones appelées domaines, dans lesquelles tous les électrons ont la même orientation magnétique.
Dans les aimants NTNU, ces domaines se rencontrent en un point central, le noyau du vortex, où le moment magnétique pointe directement dans ou hors du plan du matériau.
« Lorsqu'on applique un champ magnétique, de plus en plus de ces domaines pointent dans la même direction », explique Folven. « Ils peuvent croître et rétrécir, puis fusionner. »
Des électrons presque à la vitesse de la lumière
Observer ce phénomène n'est pas chose aisée. Les chercheurs ont placé leurs microaimants dans un synchrotron en forme de donut de 80 m de diamètre, baptisé BESSY II, à Berlin, où les électrons sont accélérés jusqu'à atteindre une vitesse proche de celle de la lumière. Ces électrons rapides émettent alors des rayons X extrêmement brillants.
« Nous prenons ces rayons X et les utilisons comme lumière dans notre microscope », explique Folven.
Parce que les électrons se déplacent autour du synchrotron en paquets séparés de deux nanosecondes, les rayons X qu’ils émettent se présentent sous forme d’impulsions précises.
Un microscope à rayons X à transmission par balayage (STXM) capte ces rayons X pour créer un instantané de la structure magnétique du matériau. En assemblant ces instantanés, les chercheurs peuvent créer un film montrant l'évolution du microaimant au fil du temps.
Avec l'aide du STXM, Folven et ses collègues ont perturbé leurs microaimants avec une impulsion de courant qui a généré un champ magnétique, et ont vu les domaines changer de forme et le noyau du vortex se déplacer du centre.
« On a un tout petit aimant, on le pique et on essaie de l'imager se stabiliser », explique-t-il. Ensuite, ils ont vu le noyau revenir au centre, mais en suivant un chemin sinueux, et non une ligne droite.
« Il va en quelque sorte revenir au centre », explique Folven.
Un faux pas et c'est fini
C'est parce qu'ils étudient les matériaux épitaxiaux, qui sont créés sur un substrat qui permet aux chercheurs de modifier les propriétés du matériau, mais qui bloquerait les rayons X dans un STXM.
Travaillant au NTNU NanoLab, les chercheurs ont résolu le problème du substrat en enterrant leur microaimant sous une couche de carbone pour protéger ses propriétés magnétiques.
Ils ont ensuite soigneusement et précisément ébréché le substrat sous-jacent à l'aide d'un faisceau focalisé d'ions gallium jusqu'à ce qu'il ne reste qu'une très fine couche. Ce processus minutieux pouvait prendre huit heures par échantillon, et une seule erreur pouvait être catastrophique.
« Le plus important, c'est que si on supprime le magnétisme, on ne le saura pas avant Berlin », dit-il. « L'astuce, bien sûr, est d'apporter plus d'un échantillon. »
De la physique fondamentale aux appareils du futur
Heureusement, cela a fonctionné, et l'équipe a utilisé ses échantillons soigneusement préparés pour cartographier la croissance et la contraction des domaines du microaimant au fil du temps. Elle a également créé des simulations informatiques pour mieux comprendre les forces à l'œuvre.
En plus de faire progresser nos connaissances en physique fondamentale, comprendre comment fonctionne le magnétisme à ces échelles de longueur et de temps pourrait être utile pour créer de futurs dispositifs.
Le magnétisme est déjà utilisé pour le stockage de données, mais les chercheurs cherchent actuellement des moyens de l'exploiter davantage. Les orientations magnétiques du noyau du vortex et des domaines d'un microaimant, par exemple, pourraient peut-être servir à coder des informations sous forme de 0 et de 1.
Les chercheurs souhaitent maintenant reproduire ces travaux avec des matériaux antiferromagnétiques, où l'effet net des moments magnétiques individuels s'annule. Ces matériaux sont prometteurs en informatique – en théorie, ils pourraient servir à fabriquer des dispositifs peu gourmands en énergie et stables même en cas de coupure de courant – mais leur étude est beaucoup plus complexe car les signaux qu'ils produisent sont beaucoup plus faibles.
Malgré ce défi, Folven est optimiste. « Nous avons franchi une première étape en démontrant que nous pouvons fabriquer des échantillons et les examiner aux rayons X », explique-t-il. « La prochaine étape consistera à déterminer si nous pouvons fabriquer des échantillons d'une qualité suffisante pour obtenir un signal suffisant à partir d'un matériau antiferromagnétique. »
Date de publication : 10 mai 2021