Imagerie et dynamique en magnétisme _IDMAG_ partie 1
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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) [email protected] Membres permanents de l’équipe : Jacques FERRE (DR em) [email protected] Vincent JEUDY (PR) [email protected] Hervé HURDEQUINT (CR) [email protected] Grégory MALINOWSKI (CR) [email protected] Jacques MILTAT (DR em) [email protected] Alexandra MOUGIN (CR) [email protected] Stanislas ROHART (CR) [email protected] Carole VOUILLE (MC) [email protected] _________________________________________________________________________ • 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 BiFeO3: 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 BiFeO3 (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).
