Les études portant sur le nanomagnétisme, et plus particulièrement l’électronique de spin, ont connu ces dernières années un très grand essor. Ceci s'explique par la découverte de nombreux effets fondamentaux nouveaux, directement utiles pour les applications : couplage d’échange entre couches minces (1986), magnétorésistance géante (GMR, 1988), effet tunnel magnétique (TMR, 1995), renversement processionnel de l’aimantation (1998), renversement d'aimantation par courant polarisé (effets dits 'spin torque', prédits en 1996 et clairement démontrés en 2000) ou lumière polarisée (2005)…. Ce nouvel âge d’or du magnétisme, largement initié par la co-découverte pionnière de la magnétorésistance géante par les groupes d’ A. Fert à Orsay et P. Grünberg à Jülich, a vu son apogée avec la remise du prix Nobel de Physique à ces deux chercheurs en 2007.
FIG.1. Images typiques de nanoplots auto-assemblés de Fe(110) (a) AFM, (b) LEEM and (c) XMCD-PEEM. Dans (c) les domaines de fermeture de Néel supérieurs apparaissent sous la forme d’une ligne étroite le long des plots, dans ce cas tous alignés dans la même direction (en blanc) après aimantation. (d) Simulation micromagnétique de l’état de fermeture de flux d’un plot de 1000x500x200nm, à champ extérieur nul. Code de couleurs pour l’intensité d’une composante de l’aimantation. Dans (d) on ne présente que les volumes à aimantation perpendiculaire significative (Mz>0.5), ce qui met en évidence le cœur de la paroi de Bloch longitudinale. Dans (e) on ne présente que les volumes à aimantation transversale significative, ce qui met en évidence les domaines de bout en forme de flèche ainsi que les deux domaines de fermeture de Néel de directions opposées, qui se trouvent au dessus et en dessous de la paroi de Bloch.
Dans le domaine du magnétisme, les recherches sur les aspects fondamentaux ont été largement motivées par le besoin d’améliorer les performances de dispositifs magnétiques existant et de développer de nouveaux concepts. On peut ainsi citer les têtes de lecture magnétique à très haute sensibilité qui ont permis de décupler la capacité des disques durs d'ordinateur, les capteurs également à très haute sensibilité qui ont trouvé des applications en positionnement, encéphalographie etc, les nanoparticules magnétiques depuis peu largement utilisées en biologie et médecine comme vecteurs, traceurs, hyperthermie pour combattre le cancer. Ces produits, disponibles commercialement, ont pu voir le jour grâce à la mise en œuvre de concepts et phénomènes décrit précédemment.
Cette moisson de découvertes d'effets fondamentaux et d’applications associées est sans doute loin de se tarir. En particulier, un effort très conséquent est actuellement porté au développement de mémoires magnétiques non-volatiles (MRAM) à faible consommation. Au niveau des études académiques, l’un des concepts nouveaux est actuellement l'utilisation de parois magnétiques, et non plus de domaines comme dans les mémoires et capteurs existants. L'utilisation de courants polarisés pour manipuler ces parois est particulièrement attractive en vue de leur intégration appliquée : le circuit fournit à la fois le dispositif magnétique et son stimuli. Citons par exemple les dispositifs de logique recherchés par le déplacement de parois magnétiques le long de réseaux sub-microniques de fils ferromagnétiques. Allant au-delà de l’étude du simple mouvement des parois, des travaux récents s’intéressent à la manipulation de la configuration interne des parois. Jusqu’à présent ces travaux ont été cantonnés à l’étude de vortex magnétiques (sorte de paroi 'unidimensionnelle' qui apparaît dans des objets hautement symétriques comme au centre de plots circulaires), étudiés dans des plots magnétiques définis par lithographie. Le cœur du vortex, de 20 nm de diamètre, peut être renversé par des champs statiques [1], et, de façon plus versatile et intégrée, comme on l’a montré récemment, par des champs pulsés nanosecondes [2] ou des courants polarisés en spin [3]. Ces études démontrent que deux degrés de liberté peuvent être manipulés indépendamment dans l’état dit 'vortex' de fermeture de flux dans un plot circulaire : 1. la polarisation du cœur de vortex, présentant une aimantation perpendiculaire 'up' ou 'down'; 2. la chiralité de l’aimantation (planaire) autour de ce vortex [[6] J.-G. Zhu, Y. Zheng, and G. A. Prinz, J. Appl. Phys. 87, 6668 (2000)].
Récemment nous avons effectué une avancée supplémentaire dans la manipulation magnétique de nanoplots. Pour cela nous avons considéré des plots allongés où le vortex (1D) est remplacé par une paroi dite 'de Bloch' (2D). Alors qu'un vortex n'est caractérisé que par son cœur à aimantation perpendiculaire, la paroi de Bloch développe un degré de liberté supplémentaire : les domaines de fermeture de Néel (en anglais « Néel cap », NC). Les NC, de 50 nm de largeur, apparaissent spontanément au-dessus et au-dessous d'une paroi de Bloch pour des raisons magnétostatiques (éviter l'existence d'aimantation perpendiculaire aux surfaces). Nous avons démontré la possibilité de renversement de manière contrôlée de l'aimantation de ces NC. Pour disposer d'un système modèle nous avons utilisé des plots auto-assemblés de taille sub-micrométrique de Fe(110), épitaxiés sous ultravide par dépôt laser pulsé (PLD) (FIG. 1a-b).
Les NC sont naturellement antiparallèles en rémanence, induisant deux états essentiellement équivalents qui peuvent être notés (-,+) et (+,-) en fonction de la polarité des NC inférieur et supérieur (FIG. 2b). La commutation entre les deux états peut être réalisée en appliquant un champ magnétique dans le plan, le long du petit axe des plots, c’est-à-dire parallèlement au vecteur d’aimantation à l’intérieur des deux NC. Nous avons déterminé la statistique de la commutation des NC’s sous l’effet de ce champ transverse en utilisant le microscope X-PEEM, actuellement opérationnel sur la ligne de Nanospectroscopie d’Elettra (Italie-Trieste) (FIG.1c) en attendant d’être installé sur la ligne MICROSCOPIE-XMOUS de SOLEIL en 2010. Nous avons pour cela associé la microscopie à photoélectrons X-PEEM au dichroïsme circulaire en rayons X polarisé. Des images de domaines magnétiques de plusieurs dizaines de plots ont été enregistrées après avoir appliqué ex-situ un champ transversal d’une intensité donnée. Plus de 90% des NC ont commuté en appliquant 150 mT, avec un champ moyen de renversement de 125 mT. Ce résultat est confirmé quantitativement par des simulations micromagnétiques [2] (FIG. 1d-e, FIG.2). L'effet du champ transverse est de conduire les NC dans un état intermédiaire (+,+) ou (-,-). Lorsque le champ est réduit, il s'avère que c’est toujours le NC supérieur qui se retourne, probablement en lien avec les facettes inclinées des plots. On obtient alors à rémanence l'état (+,-) ou (-,+) en fonction du signe du champ qui été appliqué (FIG.2b). Les simulations prédisent que le champ de retournement atteint un maximum pour une hauteur de plot de 90 nm, s’annule autour de 25 nm du côté le plus bas et décroit lentement quand la largeur augmente. On devrait pouvoir utiliser cette dépendance pour ajuster la valeur du champ de retournement dans les expériences.
FIG.2. (a) Simulation micromagnétique de l’hystérésis de domaines de fermeture de Néel (NC) par application d’un champ magnétique appliqué de façon transverse au plot. Seule la composante essentiellement transversale est représentée, ce qui met en évidence les NC.
(b) Schéma montrant comment l’ensemble des NC, antiparallèles en rémanence, commutent puis bifurquent en fonction du signe du champ appliqué.
Nos références
- F. Cheynis, A. Masseboeuf, O. Fruchart, N. Rougemaille, J. C. Toussaint, R. Belkhou, P. Bayle-Guillemaud, and A. Marty: “F. Cheynis, A. Masseboeuf, O. Fruchart, N. Rougemaille, J. C. Toussaint, R. Belkhou, P. Bayle-Guillemaud, and A. Marty” : Phys. Rev. Lett. 102, 107201 (2009)
- F. Cheynis, N. Rougemaille, R. Belkhou, J.-C. Toussaint and O. Fruchart : “XMCD-PEEM investigation of size effects on field-induced Néel-cap reversal”: J. App. Phys. 103 (2008) 07D915.
- R. Hertel, O. Fruchart, S. Cherifi, P.-O. Jubert, S. Heun, A. Locatelli & J. Kirschner, Three-dimensional magnetic flux-closure patterns in mesoscopic Fe islands, Phys. Rev. B 72, 214409 (2005)
- F. Cheynis et al., arXiv:0712.3834v1
Autres références
[1] T. Okuno, K. Shigeto, T. Ono, K. Mibu & T. Shinjo, MFM study of magnetic vortex cores in circular permalloy dots: behavior in external field, J. Magn. Magn. Mater. 240, 1-6 (2002)
[2] B. Van Waeyenberg et al., Magnetic vortex core reversal by excitation with short bursts of an alternating field, Nature, 444, 461-464 (2006).
[3] K. Yamada, S. Kasai, Y. Nakatani, K. Kobayashi & T. Ono, Switching magnetic vortex core by a single nanosecond current pulse, Appl. Phys. Lett. 93, 152502 (2008)
