Les chercheurs du NTNU mettent en lumière 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 à oxydes au département des systèmes électroniques de NTNU, et ses collègues de NTNU et de l'université de Gand en Belgique ont entrepris de voir comment les micro-aimants en couches minces changent lorsqu'ils sont perturbés par un champ magnétique extérieur.Les travaux, partiellement financés par NTNU Nano et le Conseil norvégien de la recherche, ont été publiés dans la revue Physical Review Research.
De petits aimants
Einar Standal Digernes a inventé les minuscules aimants carrés utilisés dans les expériences.
Les minuscules aimants carrés, créés par NTNU Ph.D.candidat 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, des groupes plus petits 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.
"Lorsque nous appliquons un champ magnétique, de plus en plus de ces domaines pointent dans la même direction", explique Folven.«Ils peuvent grandir et rétrécir, puis fusionner les uns dans les autres.»
Des électrons presque à la vitesse de la lumière
Voir cela se produire n’est pas facile.Les chercheurs ont emmené leurs micro-aimants dans un synchrotron en forme de beignet de 80 m de large, connu sous le nom de BESSY II, à Berlin, où les électrons sont accélérés jusqu'à ce qu'ils se déplacent presque à la vitesse de la lumière.Ces électrons qui se déplacent rapidement émettent alors des rayons X extrêmement brillants.
«Nous prenons ces rayons X et les utilisons comme lumière dans notre microscope», explique Folven.
Étant donné 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 et à balayage, ou STXM, prend ces rayons X pour créer un instantané de la structure magnétique du matériau.En assemblant ces instantanés, les chercheurs peuvent essentiellement créer un film montrant comment le micro-aimant évolue au fil du temps.
Avec l'aide du STXM, Folven et ses collègues ont perturbé leurs micro-aimants avec une impulsion de courant qui a généré un champ magnétique, et ont vu les domaines changer de forme et le noyau du vortex s'éloigner du centre.
"Vous avez un très petit aimant, puis vous le piquez et essayez de l'imaginer alors qu'il se réinstalle", dit-il.Ensuite, ils ont vu le noyau revenir au milieu, mais le long d’un chemin sinueux et non d’une ligne droite.
"Cela 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 micro-aimant sous une couche de carbone pour protéger ses propriétés magnétiques.
Ensuite, ils ont soigneusement et précisément écaillé le substrat en dessous avec un faisceau focalisé d’ions gallium jusqu’à ce qu’il ne reste qu’une très fine couche.Le processus minutieux pourrait prendre huit heures par échantillon, et une erreur pourrait être désastreuse.
"Le point crucial est que si vous tuez le magnétisme, nous ne le saurons pas avant de siéger à Berlin", dit-il."L'astuce consiste bien sûr à apporter plus d'un échantillon."
De la physique fondamentale aux futurs appareils
Heureusement, cela a fonctionné et l’équipe a utilisé ses échantillons soigneusement préparés pour suivre la croissance et la diminution des domaines du micro-aimant au fil du temps.Ils ont également créé des simulations informatiques pour mieux comprendre quelles forces étaient à l’œuvre.
En plus de faire progresser nos connaissances en physique fondamentale, comprendre le fonctionnement du magnétisme à ces échelles de longueur et de temps pourrait être utile dans la création 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 micro-aimant, par exemple, pourraient peut-être être utilisées pour coder des informations sous forme de 0 et de 1.
Les chercheurs envisagent désormais de répéter ce travail avec des matériaux antiferromagnétiques, dans lesquels l'effet net des moments magnétiques individuels s'annule.Ceux-ci sont prometteurs en matière d’informatique – en théorie, les matériaux antiferromagnétiques pourraient être utilisés pour fabriquer des dispositifs nécessitant peu d’énergie et restant stables même en cas de coupure de courant – mais beaucoup plus délicats à étudier car les signaux qu’ils produisent seront beaucoup plus faibles. .
Malgré ce défi, Folven reste optimiste.«Nous avons abordé le premier point en montrant que nous pouvons prélever des échantillons et les examiner aux rayons X», dit-il."La prochaine étape consistera à voir si nous pouvons réaliser des échantillons de qualité suffisamment élevée pour obtenir suffisamment de signal provenant d'un matériau antiferromagnétique."
Heure de publication : 10 mai 2021