Des chercheurs de l'Université norvégienne de sciences et de technologie (NTNU) éclairent 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 l'Université norvégienne de sciences et de technologie (NTNU), et ses collègues de la NTNU et de l'Université de Gand en Belgique ont entrepris d'étudier comment les microaimants en couches minces se comportent sous l'effet d'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.
De minuscules aimants
Einar Standal Digernes a inventé les minuscules aimants carrés utilisés dans les expériences.
Les minuscules aimants carrés, créés par Einar Standal Digernes, doctorant à l'Université norvégienne de sciences et de technologie (NTNU), ne mesurent que deux micromètres de large et sont divisés en quatre domaines triangulaires, chacun ayant une orientation magnétique différente pointant dans le sens horaire ou antihoraire autour des aimants.
Dans certains matériaux magnétiques, de plus petits groupes d'atomes s'assemblent en zones appelées domaines, dans lesquelles tous les électrons ont la même orientation magnétique.
Dans les aimants de l'Université norvégienne de sciences et de technologie (NTNU), ces domaines se rejoignent en un point central – le noyau du vortex – où le moment magnétique pointe directement vers l'intérieur ou l'extérieur du plan du matériau.
« Lorsqu’on applique un champ magnétique, de plus en plus de ces domaines s’orientent dans la même direction », explique Folven. « Ils peuvent s’agrandir, se réduire, puis fusionner les uns avec les autres. »
Des électrons presque à la vitesse de la lumière
Observer ce phénomène n'est pas chose aisée. Les chercheurs ont utilisé leurs micro-aimants dans un synchrotron en forme d'anneau de 80 mètres de diamètre, appelé BESSY II, à Berlin, où les électrons sont accélérés jusqu'à atteindre une vitesse proche de celle de la lumière. Ces électrons ultrarapides émettent alors des rayons X extrêmement brillants.
« Nous captons ces rayons X et nous les utilisons comme source de lumière dans notre microscope », explique Folven.
Parce que les électrons se déplacent dans le synchrotron par paquets séparés par deux nanosecondes, les rayons X qu'ils émettent se présentent sous forme d'impulsions précises.
Un microscope à transmission de rayons X à balayage (STXM) utilise ces rayons X pour créer une image instantanée de la structure magnétique du matériau. En assemblant ces images, les chercheurs peuvent en quelque sorte créer un film montrant l'évolution du micromagnétique au fil du temps.
À l'aide du STXM, Folven et ses collègues ont perturbé leurs micromagnets 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 à partir du centre.
« On utilise un tout petit aimant qu’on actionne légèrement pour essayer de le photographier lorsqu’il se stabilise », explique-t-il. Ils ont ensuite observé le noyau revenir au centre, mais en suivant un chemin sinueux et non en ligne droite.
« Cela va en quelque sorte revenir au centre », explique Folven.
Un seul faux pas et c'est fini.
C’est parce qu’ils étudient des matériaux épitaxiaux, qui sont créés sur un substrat permettant aux chercheurs d’ajuster les propriétés du matériau, mais qui bloqueraient les rayons X dans un STXM.
En travaillant au sein du NanoLab de l'Université norvégienne de sciences et de technologie (NTNU), les chercheurs ont résolu le problème du substrat en enfouissant leur micromagnétique sous une couche de carbone afin de protéger ses propriétés magnétiques.
Ils ont ensuite minutieusement et précisément retiré le substrat sous-jacent à l'aide d'un faisceau concentré d'ions gallium, jusqu'à ce qu'il ne reste plus qu'une couche très fine. Ce processus fastidieux pouvait prendre jusqu'à huit heures par échantillon, et la moindre erreur pouvait être catastrophique.
« Le plus important, c'est que si on détruit le magnétisme, on ne le saura pas avant d'être à Berlin », explique-t-il. « L'astuce, bien sûr, c'est d'apporter plusieurs échantillons. »
De la physique fondamentale aux appareils du futur
Heureusement, l'expérience a fonctionné et l'équipe a utilisé ses échantillons soigneusement préparés pour étudier l'évolution des domaines du micromagnétique au fil du temps. Elle a également réalisé des simulations informatiques afin de mieux comprendre les forces en jeu.
Outre l'avancement de nos connaissances en physique fondamentale, la compréhension du fonctionnement du magnétisme à ces échelles de longueur et de temps pourrait s'avérer utile pour la création de futurs dispositifs.
Le magnétisme est déjà utilisé pour le stockage de données, mais les chercheurs explorent actuellement de nouvelles façons de l'exploiter. Les orientations magnétiques du cœur et des domaines d'un vortex d'un micromagnet, par exemple, pourraient servir à encoder des informations sous forme de 0 et de 1.
Les chercheurs s'attachent désormais à reproduire ces travaux avec des matériaux antiferromagnétiques, où l'effet net des moments magnétiques individuels s'annule. Ces matériaux sont prometteurs pour l'informatique : en théorie, ils pourraient servir à fabriquer des dispositifs peu énergivores et stables même en cas de coupure de courant. Cependant, leur étude s'avère beaucoup plus complexe car les signaux qu'ils produisent seront bien plus faibles.
Malgré ce défi, Folven reste optimiste. « Nous avons franchi une première étape importante en démontrant que nous pouvons fabriquer des échantillons et les analyser aux rayons X », explique-t-il. « La prochaine étape consistera à déterminer si nous pouvons produire des échantillons d'une qualité suffisamment élevée pour obtenir un signal suffisant d'un matériau antiferromagnétique. »
Date de publication : 10 mai 2021