Figure 1 :(a) Illustration de la configuration de la résonance ferromagnétique diffractive (DFMR). L'échantillon est placé sur un guide d'onde coplanaire, qui est monté à l'intérieur du diffractomètre à rayons X mous RASOR sur la ligne de lumière I10. Un champ magnétique est appliqué dans le plan de diffusion (ombré en gris) le long du guide d'onde coplanaire. L'énergie des rayons X incidents est accordée aux bords L des métaux de transition d'intérêt (dans ce cas, le bord L3 de Fe). Des mesures statiques ainsi que dynamiques sont effectuées à l'aide d'une photodiode pour la détection des pics de diffraction. Pour les mesures DFMR dynamiques, un pic de diffraction spécifique est sélectionné et un signal de pompe hyperfréquence modulé en amplitude est appliqué. Au Diamant, les rayons X de sondage sont pulsés à ∼ 500 MHz. Un générateur de peigne est utilisé pour fournir des harmoniques plus élevées de cette fréquence d'impulsion jusqu'à 10 GHz, et une ligne à retard permet le déphasage relatif du signal hyperfréquence par rapport aux impulsions de rayons X. Le côté droit montre les balayages de retard DFMR du pic de Bragg magnétique de l'hexaferrite de type Y BaSrMg2Fe12O22 en fonction de l'angle de polarisation. Mesures de (b) le mode anisotrope à 6 GHz et (c) le mode isotrope A à 2 GHz. Crédit :Source de lumière diamant
Alors que la nanoélectronique rencontre des barrières fondamentales, le spin d'un électron, en plus de sa charge, est utilisé pour transporter des informations dans des appareils électroniques. Cela nécessite de nouvelles méthodes de caractérisation et de détection des modes de spin dans des structures magnétiques complexes. Les techniques actuelles mesurent soit les propriétés des matériaux à l'échelle du nanomètre, soit à l'échelle de la picoseconde, cependant, les deux sont nécessaires simultanément pour obtenir une image complète afin de faire progresser les futurs développements technologiques.
Des chercheurs du groupe de spectroscopie magnétique de Diamond Light Source, l'Université d'Oxford, et l'Université de ShanghaiTech ont développé une nouvelle technique de résonance ferromagnétique diffractive (DFMR) pour récupérer la dynamique des modes de spin individuels. DFMR combine la puissance de deux techniques de mesure, diffusion élastique résonante des rayons X (REXS) pour récupérer la structure de spin détaillée d'un système magnétique, et la résonance ferromagnétique détectée par rayons X (XFMR) pour accéder à la dynamique de magnétisation sélective d'éléments. La récente publication de l'équipe dans Nano Letters démontre leur technique DFMR en étudiant la dynamique de spin d'une hexaferrite multiferroïque, qui a un grand potentiel pour les applications de stockage d'informations.
Etudes expérimentales de la dynamique de l'aimantation
L'étude de la dynamique de l'aimantation est cruciale pour le développement de nouveaux matériaux et dispositifs de stockage magnétique, qui sont généralement composés de plusieurs couches différentes. La technique la plus utilisée, résonance ferromagnétique (FMR), donne un aperçu uniquement de la dynamique de magnétisation intégrée au sein de ces systèmes complexes. C'est là que le rayonnement synchrotron offre une solution. En utilisant l'effet de dichroïsme circulaire magnétique aux rayons X (XMCD), un contraste magnétique et chimique est obtenu, ce qui permet d'étudier la dynamique d'aimantation spécifique à l'élément dans la RMF détectée par rayons X.
La technique FMR diffractive
La technique DFMR est une union de REXS - qui révèle la structure magnétique statique dans l'espace réciproque - et XFMR, qui est utilisé pour révéler la dépendance temporelle de cette structure. L'équipe de recherche a effectué ses mesures dans le diffractomètre RASOR sur la ligne I10 de Diamond, qui fournit à la fois des températures d'échantillon variables et des champs magnétiques. Les rayons X incidents sont calés sur le L2, 3 bord d'absorption de l'élément de métal de transition 3d d'intérêt, et la condition de diffraction magnétique peut généralement être satisfaite pour des modulations de spin de 10 s à 100 s nm. La dynamique d'aimantation est échantillonnée par stroboscopie, exploitation de la structure d'impulsion de rayons X du synchrotron de 500 MHz (l'horloge de l'oscillateur maître de l'anneau de stockage Diamond) et synchronisation avec un champ hyperfréquence appliqué à l'échantillon. Une ligne à retard permet le déphasage de l'oscillation hyperfréquence par rapport aux impulsions de rayons X. Par ici, le signal magnétique peut être surveillé en fonction du délai entre l'excitation micro-onde (pompe) et l'arrivée du paquet de rayons X (sonde). DFMR combine REXS et XFMR en mesurant le changement d'intensité des pics diffusés résultant du sondage stroboscopique de la structure magnétique. Un schéma de l'installation expérimentale est représenté sur la figure 1 avec des balayages de retard DFMR mesurés des pics magnétiques en fonction de l'angle de polarisation linéaire.
Prochaines étapes
Des matériaux magnétiques innovants ont joué, et continuera à jouer, un rôle central pour l'augmentation de la capacité de stockage de données pour les années à venir. Leur évolution continue, et surtout en raison de l'avènement du complexe, systèmes magnétiques topologiquement ordonnés, nécessite des outils de caractérisation ultra-sensibles adaptés dans leur domaine fréquentiel natif des GHz. Avec DFMR, l'équipe a mis en place un outil clé qui aidera les chercheurs dans leur quête pour synthétiser et concevoir de nouveaux matériaux skyrmions et multiferroïques dans lesquels des moments magnétiques ordonnés peuvent être manipulés via l'application de champs électriques ou magnétiques, dans le but de développer des solutions de traitement de données à haute densité et à faible consommation d'énergie.
L'auteur principal, le Dr David Burn, explique :
« Nous pensons que le développement de la FMR diffractive présente une avancée majeure pour la spintronique car elle permet, pour la première fois, l'étude des modes d'aimantation dynamique jusqu'à l'échelle nanométrique avec l'espace, résolution temporelle et chimique. Cette échelle de longueur, en combinaison avec une plage dynamique de 10 GHz, est crucial pour le développement de la logique magnétique post-CMOS et des dispositifs de mémoire. Nous sommes certains que cela aura un impact significatif sur la communauté scientifique au sens large."
