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De l’art de sauter collectivement les barrières universelles


Une paroi de domaine magnétique en mouvement dans un film magnétique, une goutte se déplaçant sur une surface rugueuse, une fracture se propageant dans un matériau friable, ou un spaghetti mi-cuit se déplaçant sur une feuille de papier abrasif inclinée… sont des phénomènes a priori très différents qui présentent des aspects similaires.

Tous s’apparentent au mouvement d’une interface élastique en présence d’une multitude de défauts qui forment un paysage de potentiel d’ancrage ondulé aléatoirement (voir insert la figure). Chaque défaut forme une petite barrière d’énergie qui empêche le mouvement libre de l’interface mais qui peut être franchie grâce à l’agitation thermique. Comme les interfaces sont élastiques, elles sont piégées collectivement par morceaux aux défauts et leur forme ne suit pas exactement les creux du potentiel d’ancrage.

Les mécanismes de déplacement des interfaces dépendent fortement de l’amplitude de la force appliquée. Pour une force de faible amplitude, les interfaces sont très sensibles aux défauts : le mouvement s’opère par sauts successifs au-dessus des barrières d’ancrage, il est qualifié de mouvement de reptation. Une augmentation de la force appliquée diminue la sensibilité aux défauts et donc la hauteur effective des barrières d’ancrage. Au-delà d’une force seuil appelée force de dépiégeage, les barrières d’ancrage s’annulent et les interfaces se décrochent des défauts. Les phénomènes de reptation pour une force quasiment nulle et de décrochement juste au-delà de la force de dépiégeage sont relativement bien compris. Théories et expériences montrent qu’il s’agit de phénomènes universels, c’est-à-dire indépendants de la nature des systèmes étudiés. En revanche, pour toute la gamme de forces comprise entre ces deux limites, la nature universelle ou non-universelle des régimes dynamiques restait jusqu’à présent une question ouverte.

Pour aborder cette question, nous avons étudié le mouvement de parois de domaines magnétiques dans des films constitués de différents matériaux et sur une large gamme de température. Dans ce système physique, la force correspond au champ appliqué et l’interface élastique est la paroi de domaine. Nous avons montré que toutes les variations de vitesse avec le champ appliqué se ramenaient à une courbe maitresse unique (voir figure). Cette courbe représente la hauteur de barrière d’ancrage réduite en fonction de la force réduite. Elle met en évidence le caractère universel de l’ensemble du régime de reptation jusqu’à la force de dépiégeage. Nos résultats sont également en bon accord avec des simulations décrivant le mouvement d’une ligne élastique dans un milieu désordonné à deux dimensions.

Comme ces simulations ne tiennent pas compte des propriétés spécifiques des matériaux magnétiques, notre analyse est très probablement pertinente pour comprendre la dynamique des interfaces dans d’autres systèmes physiques comme ceux énumérés au début. D’autre part, nos résultats devraient être particulièrement importants pour les applications potentielles telles que les mémoires magnétiques basées sur le déplacement contrôlé de parois de domaines magnétiques.

Barrière universelle du régime de reptation
Insert : (Schéma du dessus) Une paroi magnétique (représentée par un spaghetti jaune) sépare deux régions d’aimantation opposée (m vers le haut et -m vers le bas). L’application d’un champ magnétique H favorise la croissance du domaine magnétique aimanté vers le haut (noté m) et pousse ainsi la paroi vers la droite. (Schéma du dessous) D’un point de vue théorique, le mouvement de reptation peut être décrit par le déplacement d’une ligne élastique couplée à paysage de potentiel d’ancrage aléatoire V(x,y).
Courbe : Cette courbe représente la hauteur de barrière d’énergie réduite ∆E/Ed en fonction de la force réduite H/Hd, pour cinq matériaux magnétiques différents et une gamme de température allant 10 to 315 Kelvin (25 courbes sont superposées.). Cette courbe maitresse montre que la totalité du régime de reptation présente un caractère universel.

Référence :

Universal Pinning Energy Barrier for Driven Domain Walls in Thin Ferromagnetic Films
V. Jeudy, A. Mougin, S. Bustingorry, W. Savero Torres, J. Gorchon, A. B. Kolton, A. Lemaître, and J.-P. Jamet
Physical Review Letters 117, 057201 (2016).

Contact :

Vincent Jeudy