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Observation d’un enroulement magnétique chiral


La chiralité est une propriété fascinante de la nature, découverte en 1848 par Pasteur dans des molécules en solution. Un système est chiral lorsqu’on ne peut pas le superposer avec sa propre image obtenue dans un miroir, comme nos mains qui constituent un parfait exemple à l’échelle humaine. A l’échelle atomique, la chiralité nait en général d’une brisure de symétrie, situation rencontrée par exemple aux surfaces et interfaces. Ainsi, dans des films ultraminces où la présence des interfaces domine sur le volume, on s’attend à une exaltation des effets qui leur sont associés.

Ces dernières années, des films ultraminces ferromagnétiques déposés sur des couches à fort couplage spin-orbite ont montré de manière indirecte des comportements chiraux : des expériences de dynamique de parois de domaines magnétiques n’ont pu être expliquées et reproduites théoriquement que via une interaction chirale dite Dzyaloshinskii-Moriya, qui modifie la structure de la paroi. Toutefois, une plus parfaite preuve nécessite une imagerie de la paroi afin de remonter directement à sa structure (notamment le sens d’enroulement de l’aimantation). Or, hormis pour quelques systèmes modèles (échantillons monocristallins presque parfaits, basses températures…) différents de ceux utilisés dans les expériences de dynamique, il est très difficile de réaliser des images avec suffisamment de résolution spatiale tant les parois de domaines sont étroites (10 à 30 nm). Notre étude, regroupant plusieurs groupes de recherche de l’université Paris-Sud (LPS, Laboratoire Aimé Cotton et Institut d’Electronique Fondamentale), de Grenoble (SPINTEC, CEA) et un partenaire industriel (Singulus Technology AG), a montré le potentiel d’une nouvelle technique d’imagerie magnétique, sans contraintes fortes sur la qualité des échantillons.

Récemment, une collaboration avec le groupe de Vincent Jacques du Laboratoire Aimé Cotton, a permis le développement d’une nouvelle technique d’imagerie basée sur la magnétométrie à sonde locale via la photoluminescence de défauts atomiques (inclusion d’un atome d’azote et d’une lacune) de nano-diamants. Le principe est de déplacer à hauteur fixée le diamant attaché à une pointe de microscope à force atomique au dessus de l’échantillon et mesurer ainsi le champ magnétique issu de la structure magnétique. La grande sensibilité de cette technique (10 µT.Hz-1/2) et son excellente résolution spatiale (le « capteur de champ » a la taille de deux atomes seulement) en font une technique de choix pour étudier la structure des parois de domaines. En comparant les cartes de champs obtenues au dessus des parois de domaines avec des calculs, nous avons pu tester plusieurs structures de paroi. Selon les échantillons, les mesures ont montré une absence de chiralité dans des sandwichs Ta/CoFeB (1 nm d’épaisseur)/MgO et une chiralité bien marquée dans des sandwichs Pt/Co (0.6 mn d’épaisseur)/Al2O3, ce qui témoigne d’une plus forte interaction chirale par contact avec du platine par rapport au contact avec le tantale. Ces résultats sont en parfait accord avec les mesures de dynamique de parois de domaines, et avec les premiers calculs « ab initio » de l’interaction Dzyaloshinskii-Moriya induite à l’interface.

Figure : Image d’une paroi de domaine chirale dans un film ultramince de cobalt (0.6 nm) en sandwich avec des couches de platine et alumine. (a) Image de microscopie à force atomique (AFM) du nanofil contenant la paroi. La ligne en pointillé indique la position de la paroi de domaine. (b) Cartographie du champ magnétique (proportionnel au shift Zeeman) au voisinage de la paroi de domaine. (c) Comparaison avec les simulations (parois de Bloch non chirale et Néel de chiralité droite et gauche).

Référence :
The nature of domain walls in ultrathin ferromagnets revealed by scanning nanomagnetometry
J.-P. Tetienne, T. Hingant, L.J. Martinez, S. Rohart, A. Thiaville, L. Herrera Diez, K. Garcia, J.-P. Adam, J.-V. Kim, J.-F. Roch, I.M. Miron, G. Gaudin, L. Vila, B. Ocker, D. Ravelosona et V. Jacques
Nature Communications 6, 6733 (2015).

Contact :
Stanislas Rohart