Accueil > Français > Équipes > Équipes scientifiques > Imagerie et dynamique en magnétisme > site équipe > Thèmes de recherche

Parois de domaines magnétiques sous courant


Retour menu précédent

 

Dynamique des parois de domaines magnétiques sous courant

 

Beaucoup de nos études portent sur les parois magnétiques. Par définition, une paroi magnétique est une surface qui sépare deux domaines magnétiques, qui sont des régions où l’aimantation est (quasi) uniforme. Les parois ont une certaine épaisseur ainsi qu’une structure magnétique interne qui leur confèrent des propriétés dynamiques riches. Elles peuvent ainsi être vues comme des analogues de particules matérielles, ou de frontières déformables entre deux milieux, etc. Nous étudions tant la structure interne des parois que leur dynamique.

 

Pour mettre une paroi en mouvement, le principal moyen d’action est le champ magnétique. De surcroît, les années récentes ont vu l’émergence d’un second moyen, appelé transfert de spin, au moyen des échantillons en forme de nano-bandes.

 

Un courant électrique qui circule crée un champ magnétique dans son voisinage selon la loi de Biot et Savart (on parle aussi du champ d’Oersted). Ceci est un effet classique et "trivial" par lequel un courant électrique agit sur un milieu magnétique, en particulier une paroi. L’effet non trivial, pressenti depuis les travaux de N.F. Mott et surtout depuis la découverte de l’effet de magnéto-résistance géante par A. Fert et P. Grünberg (co-lauréats du prix Nobel de physique 2007), est non-classique et fait intervenir le spin des porteurs du courant. Dans un matériau ferromagnétique en effet, le spin des porteurs est conservé lors de la plupart des collisions qui donnent lieu à la résistance électrique, et on peut alors considérer le courant électrique transporté par des porteurs de spin majoritaire et celui transporté par les spins minoritaires. Ces deux canaux sont de résistivité différente en général, le courant électrique est donc polarisé.

 

A la traversée d’une paroi magnétique, l’orientation de l’aimantation change continûment. Le courant électrique modifiera donc sa polarisation après traversée de la paroi. Qui dit modification du spin, qui est un moment cinétique, dit action d’un couple. Ainsi, un courant électrique qui traverse une paroi magnétique exerce un couple sur l’aimantation dans la paroi, appelé couple de transfert de spin. La forme exacte de ce couple fait l’objet de nombreuses recherches, théoriques et expérimentales. Il s’agit d’un sujet complexe où interviennent la nature du matériau, le type de paroi magnétique, la forme de la nanostructure traversée par le courant etc. Nos études s’adressent à ces différents aspects.

 

  • A. Semi-conducteurs ferromagnétiques à aimantation perpendiculaire

 

Un matériau de choix pour étudier cet effet est le semiconducteur ferromagnétique (Ga,Mn)As obtenu en ajoutant des pourcents de manganèse dans le semiconducteur GaAs. On obtient ainsi un ferromagnétique à température de Curie typique 130 K, dont l’aimantation est principalement portée par les ions Mn. La grande différence par rapport aux métaux magnétiques usuels réside dans l’interaction entre ions Mn, qui est ici établie par les porteurs de charge. Ainsi, transport électrique et ferromagnétisme sont intimement liés dans (Ga,Mn)As.

 

La fabrication du matériau est une tâche en soi. Ceci est réalisé par nos collègues du LPN à Marcoussis.

 

Les expériences révèlent un déplacement très aisé des parois par courant, comme montré dans la figure. Nous faisons une étude systématique de cet effet, en fonction de la température en particulier, pour déterminer quantitativement les différents termes du couple de transfert de spin dans ce matériau. Des effets connexes du couple de transfert de spin sont aussi étudiés.

 

 

Fig. Déplacements successifs d’un paroi de domaine magnétique produite par des impulsions de courant, dans une piste de (Ga,Mn)As. Piste : 4 µm x 90 µm x 50nm. Densité de courant : J = 4.4 109A/m2, durée impulsions : 1.8 µs, température : 104 K. Observation par microscopie magnéto-optique (effet Kerr polaire).

 

  • B. Métaux

 

Le matériau de choix pour l’étude du couple de transfert de spin dans les parois est un alliage magnétique de nickel et de fer appelé permalloy. En effet, pour une certaine concentration, l’anisotropie magnétique et sa sensibilité aux déformations élastiques sont proches de zéro. On obtient alors un matériau dit doux dans lequel les structures magnétiques sont uniquement déterminées par les énergies d’échange et de champ démagnétisant. Un corollaire à l’absence d’anisotropie est que le champ nécessaire au déplacement des parois est très petit, de l’ordre de quelques fois le champ terrestre seulement. C’est la raison principale pour laquelle ce matériau a été fortement étudié dans ce contexte de déplacement de paroi.

 

Notre approche a consisté à appliquer la microscopie magnétique à haute résolution, ici la microscopie à force magnétique. Dans notre montage, une arrivée de contacts hyperfréquence a été ménagée de manière à pouvoir appliquer in situ des impulsions de courant durant moins que la nanoseconde. Les expériences montrent en effet que, malgré la douceur du matériau, il faut appliquer des densités de courant élevées pour déplacer les parois. Pour éviter un échauffement trop élevé de l’échantillon, des durées aussi courtes sont nécessaires. La figure montre un tel déplacement, qui s’inverse lorsque le sens du courant est inversé.

 

 

Fig. Déplacement de parois par courant dans des pistes de permalloy (alliage NiFe à 80% de nickel environ). Densité de courant : J = 3.1 1012A/m2, durée impulsions : 5 x 1ns. Observation par microscopie à force magnétique. La paroi observée est de type vortex, la plus stable à cette taille d’échantillon.

 

  • C. Simulations micromagnétiques

 

En parallèle des expériences, nous menons une modélisation magnétique des effets du couple de transfert de spin. Autant que possible, il s’agit d’un travail analytique. Toutefois, du fait de dimensions importantes des échantillons (par rapport aux longueurs caractéristiques des structures magnétiques), il s’agit le plus souvent de calculs numériques. Ceux-ci sont effectués avec le code micromagnétique développé dans le groupe (lien technique micromagnétisme), ou avec le code public OOMMF. Nous avons aussi une longue collaboration à ce sujet avec le Pr. Nakatani de l’Université d’électro-communications à Tokyo au Japon.

 

De manière générale, nous appliquons le micromagnétisme pour éclairer nos résultats expérimentaux. L’observation de la statique et de la dynamique des structures magnétiques telles que les parois révèle souvent des surprises. Avant de mettre en cause un effet nouveau, il importe donc de bien appréhender les prédictions de la théorie continue des structures magnétiques qui est appelée micromagnétisme. La figure montre un cas de telles études.

 

 

Fig. Déplacement de parois par courant dans des pistes de permalloy suite à une impulsion de courant de durée 1 ns et de densité variable, dans le cas où la structure de paroi est différente après l’impulsion. On part d’une paroi dite transverse asymétrique (images, c’est une paroi métastable à cette taille d’échantillon) et aboutit à une paroi de type vortex in fine. Les expériences (ronds rouges) et les calculs (carrés noirs) indiquent que cette transformation s’accompagne d’un déplacement de la paroi. Comme montré par les droites qui figurent le déplacement incrémental dû au couple de transfert de spin, le déplacement par transformation peut être grand.

 

  • D. Echauffement par effet de Joule

 

La compréhension complète des effets de transfert de spin nécessite de connaître les autres effets liés au passage de si fortes densités de courant : champ d’Oersted, et aussi échauffement. Dans cette optique, nous étudions l’échauffement produit par des impulsions de courant électrique dans des pistes. réalisons des calculs numériques de cet échauffement. Du fait de la sensibilité des résultats à la température de l’échantillon en particulier dans le cas de (Ga,Mn)As, ce calcul est indispensable à l’interprétation, et même à la conduite, des expériences.

 

 

Fig.

(a) Maillage utilisé pour simuler, par la méthode des éléments finis, l’échauffement produit par des impulsions de courant électrique.

(b) La circulation d’un courant électrique dans un fil (petit point rouge en haut au centre) produit l’échauffement de tout le substrat de GaAs (épaisseur : 375microns). Les lignes de même couleur sont des isothermes. Température initiale : 100K.

(c) Augmentation de la température ΔT de la piste en fonction de la durée d’une impulsion de courant électrique. Comparaison entre les prédictions théoriques (ligne) et les résultats expérimentaux (points).