Structure magnétique interne tourbillonnante. Une partie de l'échantillon étudié, qui est un pilier de gadolinium-cobalt de diamètre 0,005 millimètres (5 micromètres), est montré. Avec la tomographie magnétique, les scientifiques ont déterminé sa structure magnétique interne. Ici, l'aimantation est représentée par des flèches pour une tranche horizontale à l'intérieur du pilier. En outre, la couleur des flèches indique si elles pointent vers le haut (orange) ou vers le bas (violet). Crédit :Institut Paul Scherrer/Claire Donnelly
Les aimants se trouvent dans les moteurs, dans la production d'énergie et dans le stockage de données. Une compréhension plus approfondie des propriétés de base des matériaux magnétiques pourrait donc avoir un impact sur notre technologie quotidienne. Une étude menée par des scientifiques de l'Institut Paul Scherrer PSI en Suisse, l'ETH Zurich et l'Université de Glasgow ont le potentiel d'approfondir cette compréhension.
Les chercheurs ont pour la première fois rendu visibles les directions de l'aimantation à l'intérieur d'un objet plus épais que jamais en 3D et jusqu'à des détails dix mille fois plus petits qu'un millimètre (100 nanomètres). Ils ont pu cartographier l'arrangement tridimensionnel des moments magnétiques. Ceux-ci peuvent être considérés comme de minuscules aiguilles de boussole magnétique à l'intérieur du matériau qui définissent collectivement sa structure magnétique. Les scientifiques ont réalisé leur visualisation à l'intérieur d'un aimant de gadolinium-cobalt en utilisant une technique d'imagerie expérimentale appelée tomographie magnétique à rayons X dur qui a été développée au PSI. Le résultat a révélé des motifs entrelacés intrigants et, en eux, les points dits de Bloch. A un point Bloch, les aiguilles magnétiques changent brusquement de direction. Les points de Bloch ont été prédits théoriquement en 1965 mais ne sont observés directement que maintenant avec ces nouvelles mesures. Les chercheurs ont publié leur étude dans la célèbre revue scientifique La nature .
Une équipe de scientifiques de l'Institut Paul Scherrer PSI, l'ETH Zurich et l'Université de Glasgow ont pour la première fois pu imager la structure magnétique d'un petit objet 3D à l'échelle nanométrique. La structure magnétique est un arrangement de moments magnétiques, dont chacun peut être considéré comme une minuscule aiguille de boussole magnétique. L'objet étudié était un pilier de taille micrométrique (millième de millimètre de diamètre) réalisé dans le matériau gadolinium-cobalt, qui agit comme un ferromagnétique. À l'intérieur, les scientifiques ont visualisé les motifs magnétiques qui se produisent à une échelle dix mille fois plus petite qu'un millimètre - en d'autres termes, le plus petit détail qu'ils pouvaient rendre visible dans leurs images 3D était d'environ 100 nanomètres. L'imagerie sophistiquée a été réalisée par une technique appelée tomographie magnétique à rayons X durs qui a été récemment développée au PSI au cours de cette étude de preuve de principe.
Jusqu'à maintenant, l'imagerie du magnétisme et des motifs magnétiques à cette petite échelle ne pouvait se faire que dans des films minces ou sur des surfaces d'objets, explique Laura Heyderman, chercheur principal de l'étude, chercheur au PSI et professeur à l'ETH Zurich. On a vraiment l'impression de plonger à l'intérieur du matériau magnétique, voir et comprendre la disposition en 3D des minuscules aiguilles de la boussole magnétique. Ces minuscules aiguilles se "sentent" et ne sont donc pas orientées au hasard, mais forment à la place des motifs bien définis dans tout l'objet magnétique.
Structures magnétiques de base et première visualisation des points de Bloch
Une tranche verticale de la structure magnétique interne d'une section d'échantillon. L'échantillon mesure 0,005 mm (5 micromètres) de diamètre et la section illustrée ici mesure 0,0036 mm (3,6 micromètres) de hauteur. La structure magnétique interne est représentée par des flèches pour une tranche verticale en son sein. En outre, la couleur des flèches indique si elles pointent vers (orange) ou à l'opposé du spectateur (violet). Crédit :Institut Paul Scherrer/Claire Donnelly
Les scientifiques ont rapidement réalisé que les motifs magnétiques consistaient en des structures magnétiques fondamentales enchevêtrées :ils ont reconnu des domaines, en d'autres termes, régions d'aimantation homogène, et murs de domaine, les frontières séparant deux domaines différents. Ils ont également observé des tourbillons magnétiques, qui ont une structure analogue à celle des tornades, et toutes ces structures se sont entrelacées pour créer un motif complexe et unique. Voir ces structures basiques et bien connues se réunir dans un réseau 3D complexe avait du sens et était très beau et enrichissant, dit Claire Donnelly, premier auteur de l'étude.
Un type spécifique de motif s'est démarqué et a donné une signification supplémentaire aux résultats des scientifiques :une paire de singularités magnétiques, les points dits de Bloch. Les points de Bloch contiennent une région infiniment petite à l'intérieur de laquelle les aiguilles de la boussole magnétique changent brusquement de direction. Les singularités en général ont fasciné les scientifiques dans divers domaines de recherche. Des exemples bien connus sont les trous noirs dans l'espace. Dans les ferromagnétiques, l'aimantation peut généralement être considérée comme continue à l'échelle nanométrique. A ces singularités, cependant, cette description s'effondre, déclare Sebastian Gliga de l'Université de Glasgow et chercheur invité au PSI. Les points de Bloch constituent des monopôles de l'aimantation et bien qu'ils aient été prédits pour la première fois il y a plus de 60 ans, ils n'ont jamais été observés directement.
Tomographie magnétique aux rayons X :cartographie 3D avec une résolution à l'échelle nanométrique
La technique expérimentale de tomographie magnétique à rayons X employée dans cette étude s'appuie sur un principe de base de la tomographie par ordinateur (CT). Semblable aux tomodensitogrammes médicaux, de nombreuses images radiographiques de l'échantillon sont prises l'une après l'autre dans de nombreuses directions différentes avec un petit angle entre les images adjacentes. Les mesures ont été effectuées sur la ligne de lumière cSAXS de la source de lumière synchrotron SLS au PSI en utilisant une instrumentation avancée pour la nanotomographie à rayons X dans le cadre du projet OMNY et une technique d'imagerie récemment développée appelée ptychographie. Utilisant des calculs informatiques et un nouvel algorithme de reconstruction développé au PSI, toutes les données ainsi collectées ont été combinées pour former la carte 3D finale de l'aimantation.
Représentation d'un point de Bloch que les scientifiques ont trouvé dans leurs données. Un point de Bloch contient une singularité magnétique à laquelle l'aimantation change brusquement de direction. Dans le point de Bloch montré ici, ce changement de direction va des aiguilles magnétiques pointant vers le haut – visualisées par des flèches – à celles pointant vers le bas. Cette singularité est entourée d'un motif de magnétisation tourbillonnant qui est analogue à la structure d'une tornade. Crédit :Institut Paul Scherrer/Claire Donnelly
Les scientifiques ont utilisé des rayons X dits « durs » du SLS du PSI. En comparaison avec les rayons X « mous », les rayons X durs ont une énergie plus élevée. Les rayons X mous de plus faible énergie ont déjà été utilisés avec beaucoup de succès pour obtenir une carte similaire des moments magnétiques, Claire Donnelly explique. Mais les rayons X mous pénètrent à peine dans de tels échantillons, vous ne pouvez donc les utiliser que pour voir l'aimantation d'un film mince ou à la surface d'un objet en vrac. Afin de vraiment plonger à l'intérieur de leur aimant, les scientifiques du PSI ont choisi des rayons X durs de plus haute énergie, au prix de l'obtention d'un signal beaucoup plus faible :Beaucoup de personnes ne croyaient pas qu'on serait capable de réaliser cette imagerie magnétique 3D avec des rayons X durs, se souvient Laura Heyderman.
Fabriquer les aimants du futur
Les chercheurs voient leur réalisation comme une contribution à une meilleure compréhension des propriétés de base des matériaux magnétiques. De plus, la capacité d'imager à l'intérieur des aimants pourrait être appliquée à de nombreux problèmes technologiques d'aujourd'hui :les aimants se trouvent dans les moteurs, dans la production d'énergie et dans le stockage de données - la création de meilleurs aimants a donc un énorme potentiel d'amélioration de nombreuses applications quotidiennes.
