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Renversement de l’aimantation par activation thermique


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Renversement de l’aimantation par activation thermique

 

  • A. Nanoparticules

 

Lorsque l’on étudie le retournement de l’aimantation d’une nanoparticule, la température joue un rôle crucial. En effet, l’énergie nécessaire à fournir pour le retournement étant, en première approximation, proportionnelle au volume de la structure, en deçà d’une taille limite, l’énergie thermique est suffisante pour déstabiliser la direction de l’aimantation, qui fluctue entre deux positions d’équilibre : c’est le phénomène de superparamagnétisme. La maîtrise de tels effets est importante dans le cadre des applications dans le domaine de l’enregistrement magnétique à très haute densité.

 

La question fondamentale qui nous intéresse est la manière dont l’aimantation se retourne : est-ce par une rotation uniforme, les moments magnétique restant parallèles les uns par rapport aux autres ? Est-ce par la nucléation puis la propagation d’un petit domaine ?... L’enjeu est d’estimer plus précisément l’énergie à fournir pour le retournement et donc d’affiner les critères de stabilité à utiliser dans les applications. Pour répondre à ces questions, nous travaillons à la fois sur le plan des expériences et des simulations numériques. Nous avons notamment développé un code de simulation micromagnétique à l’échelle atomique qui inclut l’effet de la température. Ce code, bien adapté à des particules contenant moins de 2500 atomes, permet de simuler l’effet du superparamagnétisme. En collaboration avec des chercheurs du laboratoire MPQ (Université Paris-Diderot), nous avons obtenu un bon accord entre expérience et simulation et montré que des ondes de spin excitées dans les plots jouent un rôle important dans le retournement (Figure 1). Dans des particules plus grandes (100-500 nm de diamètre), nous utilisons la microscopie magnéto-optique pour étudier le comportement de particules individuelles. L’étude présentée en figure 2 sur des disques de Pt/Co/Pt de 130 nm de diamètre nous a permis de montrer que le renversement de l’aimantation a lieu via la nucléation de parois de domaines au sein de ces nanodisques.

 

 

Figure 1  : Simulation des fluctuations superparamagnétiques d’une nanoparticule de cobalt. L’image de gauche montre que la composante perpendiculaire MZ de l’aimantation fluctue entre deux états au cours du temps à cause de l’agitation thermique. L’image de droite montre un mode d’onde de spin confiné dans la particule dont l’influence sur la stabilité de l’aimantation est capital.

 

 

Figure 2 : Retournement thermiquement activé de l’aimantation dans une nanoplaquette de Pt/Co(0.5 nm)/Pt, de 130 nm de diamètre. L’image magnéto-optique (à gauche) montre (en blanc) individuellement les plots dont l’aimantation se retourne après une impulsion de champ magnétique (différence entre un état saturé et l’état après impulsion). Pour chaque plot, la loi de probabilité de retournement (en haut à droite) est une exponentielle qui témoigne d’un mécanisme unique décrit par le micromagnétisme (en bas à droite) comme la nucléation d’une paroi circulaire en bord de plot suivit de la propagation d’une paroi de domaine au sein du plot.

 

  • B. Nucléation sous courant

 

La circulation d’un courant continu à travers l’interface entre un matériau magnétique (Ga,Mn)(As,P) et un métal non ferromagnétique (Au) produit un retournement spontané et aléatoire de l’aimantation. Ce phénomène est caractérisé par deux temps de résidence associés aux deux états possibles de l’aimantion (suivant la direction perpendiculaire au plan du matériau ferromagnétique). Nous étudions les paramètres qui contrôlent les temps de résidence afin de déterminer l’origine du retournement spontané de l’aimantation.

 

 

Figure :

(a) Dispositif expérimental : le courant électrique circule de l’électrode d’or (non ferromagnétique) vers le milieu magnétique (Ga,Mn)(As,P).

(b) L’aimantation change spontanément de sens entre les deux directions de facile aimantation direction (tache grise et tache noire devant l’électrode sur les images MOKE).

(c) Evolution temporelle de l’aimantation montrant une variation aléatoire de la direction d’aimantation (bruit télégraphique).