Une équipe dirigée par l'Université Rutgers et comprenant des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) a démontré une technique d'imagerie par rayons X qui pourrait permettre le développement de plus petits, plus rapide, et une électronique plus robuste.

Décrit dans un article publié le 27 novembre dans Communication Nature , la technique répond à une limitation principale dans le domaine de recherche émergent de la "spintronique, " ou faire tourner l'électronique, utilisant des matériaux magnétiques appelés antiferromagnétiques (AFM) :la capacité à imager des domaines magnétiques en antiphase.

Les électrons dans les atomes magnétiques pointent, ou "tourner, " vers le haut ou vers le bas. Dans tous les matériaux magnétiques, il existe des régions distinctes - des domaines magnétiques - dans lesquelles les spins des électrons sont disposés de manière régulière. Plusieurs configurations sont possibles selon le type de magnétisme. Dans les AFM, les spins sur les atomes adjacents pointent dans des directions opposées (par exemple, haut-bas-haut-bas). Alors que les spins dans chaque domaine sont uniformément ordonnés, ceux dans les domaines adjacents sont alignés d'une manière différente. Par exemple, dans les AFM, les spins dans un domaine peuvent tous être agencés selon un modèle haut-bas, en descendant dans un domaine voisin. L'imagerie de ces domaines "antiphase" et des transitions (murs) qui existent entre eux est la première étape pour pouvoir manipuler l'état magnétique des AFM pour développer des dispositifs spintroniques.

"Finalement, le but est de contrôler le nombre, forme, Taille, et la position des domaines, " a déclaré le co-auteur Claudio Mazzoli, scientifique principal de la ligne de faisceaux Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) de Brookhaven Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science, où la technique a été démontrée. "En général, les propriétés électroniques des parois de domaine peuvent être différentes de celles de la masse du matériau, et nous pouvons profiter de ce fait. Trouver un moyen de contrôler les domaines et leurs murs par des perturbations externes est essentiel pour concevoir des dispositifs capables de stocker et de traiter efficacement les informations. »

De la charge à l'essorage

L'électronique conventionnelle telle que les puces informatiques repose sur le transport de porteurs de charge électrique, ou des électrons, opérer. Au fur et à mesure que ces charges se déplacent, ils dissipent de l'énergie sous forme de chaleur, limiter l'efficacité de l'appareil.

La spintronique exploite une autre propriété intrinsèque des électrons :le spin. Parce que les spins des électrons peuvent être basculés d'une polarité magnétique à une autre beaucoup plus rapidement que la charge ne peut être déplacée, les dispositifs basés sur la spintronique peuvent être intrinsèquement plus rapides que l'électronique d'aujourd'hui.

À ce jour, la plupart des dispositifs spintroniques ont été basés sur des ferroaimants (FM) - le type d'aimants que nous connaissons le mieux, comme on le voit sur les réfrigérateurs et dans les disques durs des ordinateurs. En réponse à un champ magnétique externe, les domaines dans les FM s'alignent de façon parallèle selon la direction du champ.

Cependant, Les AFM offrent plusieurs avantages par rapport aux FM. Par exemple, parce que les spins dans les AFM s'annulent, ces matériaux n'ont pas de magnétisme à grande échelle. Ainsi, leur orientation de rotation peut être inversée encore plus rapidement, et ils ne génèrent pas de champs magnétiques parasites pouvant interférer avec d'autres sources d'aimantation. En outre, ils sont beaucoup plus résistants aux champs magnétiques externes.

"Les antiferromagnétiques sont intrinsèquement mieux protégés contre la perte d'informations par les interactions avec l'environnement, y compris entre domaines, " a expliqué l'auteur principal et professeur de physique Rutgers Valery Kiryukhin. " Ainsi, les appareils basés sur des matériaux AFM peuvent être rendus plus petits, avec des informations regroupées plus étroitement pour offrir une capacité de stockage plus élevée."

Mais les mêmes caractéristiques qui rendent les AFM attrayants pour la spintronique rendent également ces matériaux difficiles à contrôler.

« Pour les contrôler, nous devons d'abord répondre à des questions très basiques, tels que la façon dont les domaines sont disposés dans l'espace et comment eux et leurs parois se déplacent en réponse à des perturbations externes telles que les changements de température, champs électriques, et des impulsions lumineuses, " dit Mazzoli.

Réflexions antiferromagnétiques

Dans cette étude, les scientifiques ont dirigé un faisceau cohérent de rayons X de la ligne de lumière CSX à travers un trou d'épingle circulaire pour éclairer l'ordre magnétique d'un échantillon AFM à base de fer synthétisé par des membres du département de physique et d'astronomie de Rutgers, dont Kiryukhin et le premier auteur et associé postdoctoral Min Gyu Kim. Ils ont réglé les rayons X de la ligne de lumière sur une énergie qui résonne avec (proche de) l'énergie des spins dans le matériau. Un détecteur a capturé l'intensité de la lumière telle qu'elle se réfléchissait sur l'échantillon.

"Vous pouvez voir les rayures sur l'écran de votre téléphone portable lorsque la lumière se reflète sur cette surface, " a déclaré Mazzoli. "Nous avons appliqué le même genre de principe ici, mais nous nous sommes appuyés sur des réflexions magnétiques au lieu de réflexions de surface. Les réflexions magnétiques n'apparaissent que dans une limite très étroite d'angles et de conditions de diffusion."

"Parce que le faisceau entrant est cohérent - tous les photons, ou particules légères, onduler ensemble de manière organisée - nous avons pu voir directement en quoi deux domaines sont différents et comment ils interfèrent l'un avec l'autre, " a déclaré le co-auteur Mark Dean, un physicien au département de physique de la matière condensée et de science des matériaux (CMPMS) du Brookhaven Lab. « L'interférence, comme révélé dans les modèles de détecteur où il y a une réduction de l'intensité du signal, nous a dit où se trouvent les limites du domaine."

Bien que cette technique de diffraction magnétique soit bien connue, cette étude représente la première fois qu'elle est appliquée avec succès à l'imagerie du domaine d'antiphase dans les AFM.

"Cette toute nouvelle capacité à imager les limites des domaines antiferromagnétiques n'est possible qu'en raison de la superbe cohérence de la ligne de lumière, " a déclaré Ian Robinson, Chef de groupe de diffusion des rayons X et physicien senior au département CMPMS. "Les contributions de diffusion de deux domaines d'antiphase sont exactement de la même amplitude. Elles ne diffèrent que par leur phase, qui est capté avec des rayons X cohérents par interférence sur le détecteur."

En quelques fractions de seconde, une image complète des zones étendues (centaines de microns par centaines de microns) de l'échantillon est générée, sans avoir à déplacer d'instrumentation. Dans d'autres techniques d'imagerie magnétique, une sonde doit être balayée sur la surface en plusieurs points, ou des calculs sont nécessaires pour projeter les modèles de détecteur résultants sur des images de l'espace réel que nos yeux peuvent comprendre.

"Nous prenons essentiellement une photo, " a déclaré Mazzoli. " La lecture de tous les pixels du détecteur forme une image plein champ en un seul coup. Des images couvrant des zones millimétriques encore plus grandes peuvent être obtenues en assemblant plusieurs images."

La rapidité de la technique la rend idéale pour les expériences dynamiques. Ici, les scientifiques ont étudié comment les domaines magnétiques changeaient en temps réel lorsqu'ils chauffaient l'échantillon pour "fondre" (retirer) son ordre antiferromagnétique et le refroidissaient pour ramener l'ordre sous la forme de l'arrangement des domaines. Ils ont découvert que certains domaines étaient libres de se déplacer à chaque cycle thermique, tandis que d'autres ne l'étaient pas.

Aller de l'avant, l'équipe prévoit de tester la technique en utilisant d'autres AFM et différentes classes de matériaux. L'équipe prévoit également d'améliorer la résolution actuelle de la technique à moins de 100 nanomètres en reconfigurant la configuration expérimentale. Cette résolution améliorée leur permettrait de déterminer l'épaisseur de la paroi du domaine.

"Concevoir un dispositif spintronique, il faut connaître la configuration magnétique des matériaux, " a déclaré Dean. "Notre espoir est que nous pourrons éventuellement utiliser cette technique pour voir comment le magnétisme fonctionne dans des conditions proches de l'appareil."