Les matériaux ferromagnétiques* ont une magnétisation spontanée non nulle à l'échelle nanoscopique. Cependant, en raison de la concurrence des forces en jeu dans le matériau, les moments magnétiques locaux peuvent former des motifs complexes à l'échelle microscopique. Il est possible d'observer ces motifs en 2D à l'aide de diverses techniques de laboratoire, mais la troisième dimension est restée insaisissable jusqu'à très récemment. Une étude récente, réalisée sur la ligne de lumière SEXTANTS, a permis de développer une nouvelle technique tomographique pour observer les motifs magnétiques en 3D avec une résolution de 80 nm.
Le domaine de recherche du magnétisme a vu l'émergence d'un sujet passionnant ces dernières années : le nanomagnétisme 3D. Alors que le magnétisme bidimensionnel a été largement étudié, grâce à un large éventail de techniques de caractérisation, l'intérêt pour les nanostructures 3D est très récent. La dimension supplémentaire offre un grand nombre de nouvelles façons d'empiler les moments magnétiques, ce qui constitue un nouveau terrain de jeu pour la recherche de nouvelles propriétés. Par exemple, la chiralité, cette propriété qui différencie votre main gauche de votre main droite, n'existe pas en tant que telle en 2D !
Cependant, "il faut le voir pour le croire" ! et l'étude du magnétisme en 3D nécessite un microscope approprié, ou plus exactement un microscope tomographique capable d'observer les schémas d'aimantation dans la masse de l'échantillon. C'est précisément ce qu'une équipe internationale a mis au point sur la ligne de lumière SEXTANTS.
Leur nouvelle tomographie magnétique est basée sur une méthode de microscopie bien établie connue sous le nom d'"holographie par transformée de Fourier". L'idée sur laquelle est basée l'holographie est de créer une interférence entre une onde de référence et une onde traversant l'objet à imager. C'est un peu comme si vous placiez votre objet d'intérêt juste derrière l'une des fentes dans la célèbre expérience des doubles fentes de Young. L'interférence permet de former une image de l'échantillon à l'aide d'un algorithme simple consistant essentiellement en une transformée de Fourier. Pour ajouter un contraste magnétique à ce microscope, vous exploitez les propriétés uniques de la longueur d'onde et de la polarisation du rayonnement synchrotron pour capturer la projection des moments magnétiques le long de l'axe du faisceau.
Mais tout cela ne donne que des images magnétiques en 2D ! Comment faire une expérience de double fente de Young en 3D ? Voici l'astuce mise en œuvre sur SEXTANTS : vous exploitez un axe tomographique naturel perpendiculaire à la longueur de la fente et enregistrez des projections de votre échantillon sous différents angles, en utilisant la fente inclinée comme référence pour l'holographie. Mais attendez, l'aimantation est un vecteur ! Si vous faites tourner votre vecteur autour d'un seul axe de rotation, il vous manque la composante du vecteur parallèle à l'axe de rotation ! Voici la deuxième astuce : ajoutez une deuxième fente perpendiculaire à la première et enregistrez une deuxième série de projections tout en faisant tourner l'échantillon sur la longueur de la deuxième fente.
Figure 1 : schéma du principe de la technique d’imagerie
Avec ces deux séries de projections et un bon algorithme également développé par l'équipe, vous pouvez calculer la texture magnétique de votre échantillon en 3D.
Pour valider la méthode, l'équipe a étudié une multicouche de 1 µm d'épaisseur composée de fer et de gadolinium.
Figure 2 : Texture magnétique 3D dans une multicouche de Fer/Gadolinium
Les microscopes de laboratoire ont montré une texture magnétique en bandes courbes avec une magnétisation locale principalement vers le haut ou vers le bas. La méthode tomographique a permis de capturer les détails fins de ce motif, en particulier la façon dont l'aimantation tourne de haut en bas entre les bandes voisines. Avec une résolution de 80 nm pour explorer une région de 5 µm x 5 µm x 1 µm, de nombreux détails sont révélés !
*Les matériaux ferromagnétiques ont la propriété de devenir eux-mêmes magnétiques s'ils sont placés dans un champ magnétique et de conserver une partie de ce magnétisme lorsque le champ est supprimé.