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Déplacement de parois sous champ magnétique


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Dynamique de déplacement de parois sous champ magnétique

 

La dynamique des parois magnétiques sous l’influence d’un champ appliqué est un sujet dont l’origine est très ancienne (premières expériences de Sixtus et Tonks en 1931). Ce sujet a été ensuite étudié dans les couches minces de NiFe (à aimantation plane) dans les années 60, puis dans les films monocristallins à anisotropie perpendiculaire de type grenat dans les années 70. Avec l’apparition des couches ultraminces à anisotropie perpendiculaire dans les années 90, ce sujet a connu un premier renouveau. Enfin, l’apparition des nanostructures magnétiques (ici, les nano-fils ou nano-bandes, dans lesquelles la longueur de paroi est confinée, a relancé l’étude de cette physique.

 

On distingue deux types de dynamique de parois :

 

- la dynamique lente, dominée par l’énergétique du système (lien parois_creep). Ceci s’observe sous de faibles champs en comparaison au piégeage de la paroi par des imperfections naturelles ou artificielles. La caractéristique de cette dynamique thermiquement activée (lien activation thermique) est un régime de reptation dans lequel la vitesse de paroi est une fonction complexe du champ appliqué.

 

- la dynamique rapide, dominée par l’équation de la dynamique de l’aimantation qui indique que l’aimantation précesse autour d’un champ local appelé champ effectif (lien parois_rapide).

 

  • A. Films de cobalt ultramince

 

La propagation d’une interface élastique telle qu’une paroi de domaines dans des films ultraminces Pt/Co/Pt ferromagnétiques, à anisotropie perpendiculaire, se déplaçant dans un milieu désordonné constitue une problématique rencontrée dans de nombreux systèmes et concerne le mouvement des lignes de contact de mouillage sur des surfaces, la propagation de fissures... Dans le cas d’un film magnétique où la paroi de domaines est mue via un champ magnétique, la théorie prédit un régime de reptation à bas champ et un régime visqueux à haut champ, séparés par un régime de dépiégeage de la paroi au voisinage d’un champ critique. Abstraction faite du désordre, deux modes de propagation de paroi se succèdent en champ magnétique : un régime de propagation stationnaire, dans lequel la paroi est rigide puis au-dessus d’un champ dit de Walker une propagation précessionnelle caractérisée par une modification continue de la structure interne de la paroi. Une approche analytique permet de discuter de la stabilité des parois dans les films ultraminces, sous champ et/ou sous courant.

 

 

Fig : Si/SiO2/Pt(4.5 nm)/Co(t)/Pt(3.5 nm) – Collaboration avec Spintec. Du régime de reptation à bas champ à la propagation précessionnelle à fort champ.

Bas champ : Vérification de la théorie de la reptation :

• la dépendance linéaire de ln v avec H-1/4.

• l’exposant associé à la rugosité de paroi.

Fort champ : 1ère mise en évidence expérimentale d’une propagation visqueuse caractérisée par une faible rugosité de paroi et assimilée à une propagation de type précessionnelle.

P. Metaxas et al PRL (2007)

A. Mougin et al EPL (2007)

 

Dans films ultraminces de cobalt à anisotropie perpendicalire, comme illustré par la figure, pour la première fois, nous avons pu expérimentalement étudier la vitesse de déplacement d’une paroi magnétique sous très faible comme sous fort champ. La loi de vitesse v(H) a été obtenue sur plusieurs décades, ce qui nous a permis d’étudier les régimes présents de part et d’autre de la transition de dépiégeage. La connaissance de ce champ de dépiégeage lié à la structure intrinsèque de la couche de cobalt, et celle du champ de Walker, lié à ses dimensions, nous a permis d’identifier le régime visqueux au régime précessionnel et de déduire l’amortissement de Gilbert.

 

L’identification de la nature de la propagation de paroi est un ingrédient essentiel à son contrôle. Le rôle joué en particulier par les degrés de liberté laissés aux moments magnétiques, dans l’épaisseur du matériau et dans la largeur des pistes, récemment mis en évidence (lien CoNi et GaMnAs) constitue un développement mené actuellement dans cette thématique.

 

  • B. Films minces en multicouche de cobalt et nickel

 

Le comportement sous champ d’une paroi de domaine n’est pas toujours interprétable en considérant cette dernière comme un objet unidimensionnel. Il est aujourd’hui clair qu’il faut traiter la propagation de paroi en considérant des développements analytiques allant au-delà du modèle 1D ou via des simulations micromagnétiques (lien simulations). La structure de paroi de domaines et les instabilités qui peuvent s’y développer ou s’étendre dans son voisinage immédiat sont des paramètres majeurs, sous champ comme sous courant (lien STT).

 

L’importance de la connaissance de la structure de paroi pour la compréhension de la relation vitesse de paroi de domaines / champ magnétique et l’identification du régime de vitesse a été illustrée dans des pistes fabriquées dans des multicouches Co/Ni à anisotropie perpendiculaire. La courbe vitesse de propagation de paroi en fonction du champ présente, après un régime de dé-piégeage, un régime d’instabilité de paroi suivie par un large plateau de vitesse et une brusque augmentation de la vitesse, avant d’atteindre un renversement assisté par nucléation. La succession de ces différents régimes dépend de la largeur de la piste. Un modèle analytique basé sur l’hypothèse d’une paroi rigide dans la largeur du fil ne permet pas de reproduire quantitativement les observations expérimentales. Des simulations micromagnétiques, qui permettent de rendre compte de la structure de paroi dans la piste, conduisent à des vitesses calculées en bien meilleur accord avec ces dernières.

 

 

Fig : Images optiques/magnéto-optiques montrant la nucléation et propagation de paroi dans le réservoir (gauche). La paroi se propage ensuite dans la piste. La structure de l’empilement est couche tampon / [Co 0.3/(Ni 0.9/Co 0.3)x4] / couverture.

 

 

Fig : Vitesse de propagation de paroi en fonction du champ magnétique appliqué pour différentes largeurs de pistes (symboles ouverts). En traits continus sont présentés les résultats d’un calcul analytique issu d’un modèle de paroi 1D et les résultats de simulations micromagnétiques qui donnent accès à la structure de la paroi dans la largeur de la piste (ici, 600 nm).

 

APEX 2011 Collaboration Kyoto + Tokyo