Imagerie et dynamique en magnétisme _IDMAG_ partie 1

Axe principal: EDS
Axes secondaires :
Imagerie et dynamique en magnétisme (IDMAG)
Laboratoire de Physique des Solides (LPS)
Université Paris-Sud, Bât. 510, Centre scientifique d'Orsay, 91405 Orsay
http://www.lps.u-psud.fr ; contacts : prenom.nom @u-psud.fr
Contact C’nano de l’équipe
THIAVILLE André
Responsable d’équipe :
André THIAVILLE (DR)
andre.thiavi[email protected]
Membres permanents de l’équipe :
Jacques FERRE (DR em)
[e-mail]
Vincent JEUDY (PR)
[e-mail]
Hervé HURDEQUINT (CR)
[e-mail]
Grégory MALINOWSKI (CR)
gregory.malinow[email protected]
Jacques MILTAT (DR em)
[e-mail]
Alexandra MOUGIN (CR)
alexandra.mou[email protected]
Stanislas ROHART (CR)
[e-mail]
Carole VOUILLE (MC)
carole.vouill[email protected]
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• Activité scientifiques de l’équipe : Nos activités concernent les quatre domaines
suivants, chaque sujet de recherche recouvrant un ou plusieurs de ces domaines.
Microscopie magnétique La microscopie magnétique est notre technique de base. Nous
développons et utilisons des microscopes magnéto-optiques (Faraday et Kerr, aimantation
planaire et perpendiculaire, température et champ variable, quasi-statique ou résolu en
temps) et de champ proche (microscopie à force magnétique: MFM et microscopie tunnel à
électrons balistiques en UHV: BEEM). Alors que la magnéto-optique est très versatile, la
microscopie de champ proche donne accès aux hautes résolutions spatiales (30 nm pour le
MFM, jusqu'à 1 nm pour le BEEM).
Magnétisme des nanostructures Les microscopes permettent d'étudier les structures
magnétiques "naturelles" telles que les parois magnétiques, ainsi que les structures
d'aimantation dans des échantillons de taille réduite (dimensions nanométriques). La
fabrication de ces derniers est réalisée localement, ou en collaboration (en particulier par
faisceau d'ions focalisés, LPN Marcoussis). La dynamique de l'aimantation dans ces
structures, de lente (activation thermique) à rapide (précession de l'aimantation), est
mesurée.
Transfert de spin Le transfert de spin décrit l'interaction entre la polarisation en spin du
courant électrique et la structure d'aimantation. Nous étudions expérimentalement cet effet
via le déplacement de parois dans des nano-bandes magnétiques (divers matériaux)
parcourues par un courant. La modélisation de l'effet est aussi effectuée, par
micromagnétisme, le cas échéant couplé au calcul du courant et de sa polarisation. Les
expériences de résonance ferromagnétique dans des multicouches magnétiques / non
magnétiques fournissent un autre moyen d'aborder cette thématique, à la fréquence des
micro-ondes.
Hétérostructures avec des magnétiques L'action sur l'aimantation d'un ferromagnétique par
un autre moyen que le champ appliqué, ou inversement l'utilisation de la spécificité du
magnétisme (bistabilité et hystérèse) motivent l'étude d'hétérostructures combinant
ferromagnétiques et autres matériaux.

• Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des
nanosciences :
Couplage avec un composé multiferroïque BiFeO
3
: contrôle sous champ électrique
Images magnéto-optique et en
biréfringence du contraste magnétique
(Mag) et ferroélectrique (FE) sur une
structure BFO (cristal) / Py .
Colonne de gauche: les images montrent
une coïncidence des domaines
ferroélectriques et ferromagnétiques.
Colonne de droite: une relation non
directe entre la structure en domaines
ferroélectriques et celle en domaines
magnétiques est observée. En haut,
deux domaines électriques se
superposent à un seul domaine
magnétique. En bas, au contraire, deux
domaines magnétiques sont superposés
à un domaine présentant une
polarisation unique. Figure tirée de [1].
Nous avons étudié le couplage d'échange qui se
développe à l'interface entre une couche d'un
ferromagnétique usuel (le permalloy Py) et l'ordre
antiferromagnétique (AFM) du composé multiferroïque
BiFeO
3
(BFO). Des résultats comparatifs ont été
obtenus sur des films minces multidomaines
ferroélectriques et antiferromagnétiques ainsi que sur
des cristaux monodomaines. Un couplage important a
été mis en évidence dans les deux systèmes dont
l’anisotropie diffère de manière significative [1]. Aucun
décalage macroscopique n’existe dans les films FM
déposés sur des cristaux monodomaines dans lesquels
l’anisotropie est imposée par la structure AFM du cristal.
Sur un cristal du multiferroïque BFO, la couche
ferromagnétique acquiert une anisotropie facile selon le
vecteur de propagation de l’arrangement cycloïdal des
moments antiferromagnétiques de BFO. Cette
anisotropie trouve son origine dans le couplage
magnétique direct avec les spins inclinés qui forment la
cycloïde. Par ailleurs, nous avons montré que les
renversements de la polarisation électrique induits sous
champ électrique induisent des rotations de la direction
d’anisotropie de la couche ferromagnétique, via le
couplage magnéto-électrique qui relie directement les
spins antiferromagnétiques à la polarisation locale dans
BFO [2].
[1] D. Lebeugle, A. Mougin, M. Viret, D. Colson, J. Allibe, H. Béa, E.
Jacquet, C. Deranlot, M. Bibes, A. Barthélémy, Phys Rev B 81,
134411 (2010)
[2] D. Lebeugle, A. Mougin, M. Viret, D. Colson, L. Ranno, Phys. Rev.
Lett. 103, 257601 (2009)

Révéler la structure magnétique de parois de domaines par microscopie magnétique à
électrons balistiques (BEEM)
Image BEEM (2x2µm²) d’un échantillon
Co/Au/Co. Les zones les plus sombres
révèlent les parois de domaines. Le
schéma représente la structure des
parois où les couplages dipolaires (lignes
de champ en bleu) induisent un
alignement antiparallèle des
aimantations dans les parois. (Image
tirée de la référence citée)
Nous avons étudié des couches ultrafines de cobalt qui
présentent une aimantation perpendiculaire au plan.
Dans celles-ci, les parois magnétiques sont
extrêmement fines (~10 nm) si bien qu’il est très difficile
de déterminer expérimentalement leur structure. Avec le
BEEM, nous nous sommes intéressés à un cas bien
particulier, celui où une paroi est présente dans chacune
des couches de cobalt, avec une interaction dipolaire
entre elles. De part et d’autre, l’aimantation des
domaines est alors la même dans chacune des couches.
Le BEEM qui sonde l’alignement relatif local des
aimantations des deux couches révèle alors le même
contraste (forte transmission) de part et d’autre de la
paroi mais montre une transmission très abaissée au
niveau de la paroi, signe d’un alignement antiparallèle
des aimantations des parois. Ceci montre que, en raison
du couplage dipolaire, la structure magnétique des
parois est modifiée par rapport au cas d’une couche
simple et que les parois sont de type Néel avec une
chiralité opposée dans l’une et l’autre couche. La
modélisation, au moyen de calculs micromagnétiques,
montre un bon accord quantitatif avec les mesures. La
largeur des parois étant de 35 nm, on peut en outre
conclure que le BEEM présente une résolution spatiale
meilleure que 10 nm, ce qui dessine des perspectives
intéressantes pour résoudre des détails de plus en plus
fins dans les structures magnétiques de films minces.
Domain wall structure in magnetic bilayers with perpendicular
anisotropy, A. Bellec, S. Rohart, M. Labrune, J. Miltat and A.
Thiaville, Europhys Lett. 91, 17009 (2010).