Des chercheurs de NTNU font la lumière sur les matériaux magnétiques à petite échelle en créant des films à l'aide de rayons X extrêmement brillants.

Erik Folven, co-directeur du groupe électronique oxyde au département des systèmes électroniques de NTNU, et des collègues de NTNU et de l'Université de Gand en Belgique ont cherché à voir comment les micro-aimants à couche mince changent lorsqu'ils sont perturbés par un champ magnétique extérieur. L'oeuvre, financé en partie par NTNU Nano et le Research Council of Norway, a été publié dans la revue Physical Review Research.

Petits aimants

Einar Standal Digernes a inventé les minuscules aimants carrés utilisés dans les expériences.

Les petits aimants carrés, créé par NTNU Ph.D. candidat Einar Standal Digernes, ne mesurent que deux micromètres de large et se divisent en quatre domaines triangulaires, chacun avec une orientation magnétique différente pointant dans le sens horaire ou antihoraire autour des aimants.

Dans certains matériaux magnétiques, de plus petits groupes d'atomes se regroupent dans des zones appelées domaines, dans laquelle tous les électrons ont la même orientation magnétique.

Dans les aimants NTNU, ces domaines se rencontrent en un point central - le noyau du vortex - où le moment magnétique pointe directement dans ou hors du plan du matériau.

"Quand on applique un champ magnétique, de plus en plus de ces domaines vont pointer dans la même direction, " dit Folven. "Ils peuvent grandir et ils peuvent rétrécir, et ensuite ils peuvent fusionner l'un dans l'autre."

Des électrons presque à la vitesse de la lumière

Voir cela se produire n'est pas facile. Les chercheurs ont emmené leurs micro-aimants dans un synchrotron en forme de beignet de 80 m de large, connu sous le nom de BESSY II, à Berlin, où les électrons sont accélérés jusqu'à ce qu'ils se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Ces électrons rapides émettent alors des rayons X extrêmement brillants.

"Nous prenons ces rayons X et les utilisons comme lumière dans notre microscope, " dit Folven.

Parce que les électrons voyagent autour du synchrotron en paquets séparés de deux nanosecondes, les rayons X qu'ils émettent se présentent sous forme d'impulsions précises.

Un microscope à rayons X à transmission à balayage, ou STXM, prend ces rayons X pour créer un instantané de la structure magnétique du matériau. En assemblant ces instantanés, les chercheurs peuvent essentiellement créer un film montrant comment le micro-aimant change au fil du temps.

Avec l'aide du STXM, Folven et ses collègues ont perturbé leurs micro-aimants avec une impulsion de courant qui a généré un champ magnétique, et a vu les domaines changer de forme et le noyau du vortex se déplacer du centre.

"Vous avez un très petit aimant, et puis vous le poussez et essayez de l'imaginer alors qu'il s'installe à nouveau, " dit-il. Après, ils ont vu le noyau revenir au milieu - mais le long d'un chemin sinueux, pas une ligne droite.

"Il va en quelque sorte danser vers le centre, " dit Folven.

Une glissade et c'est fini

C'est parce qu'ils étudient les matériaux épitaxiaux, qui sont créés sur un substrat qui permet aux chercheurs de peaufiner les propriétés du matériau, mais bloquerait les rayons X dans un STXM.

Travailler dans NTNU NanoLab, les chercheurs ont résolu le problème du substrat en enterrant leur micro-aimant sous une couche de carbone pour protéger ses propriétés magnétiques.

Ensuite, ils ont soigneusement et précisément ébréché le substrat en dessous avec un faisceau focalisé d'ions gallium jusqu'à ce qu'il ne reste qu'une très fine couche. Le processus minutieux pouvait prendre huit heures par échantillon, et une erreur pouvait entraîner un désastre.

« L'essentiel est que, si tu tues le magnétisme, nous ne le saurons pas avant de nous asseoir à Berlin, " dit-il. " L'astuce est, bien sûr, d'apporter plus d'un échantillon.

De la physique fondamentale aux appareils du futur

Heureusement ça a marché, et l'équipe a utilisé ses échantillons soigneusement préparés pour déterminer comment les domaines du micro-aimant se développent et se rétrécissent au fil du temps. Ils ont également créé des simulations informatiques pour mieux comprendre quelles forces étaient à l'œuvre.

En plus de faire progresser nos connaissances en physique fondamentale, comprendre comment le magnétisme fonctionne à ces échelles de durée et de temps pourrait être utile pour créer de futurs appareils.

Le magnétisme est déjà utilisé pour le stockage de données, mais les chercheurs cherchent actuellement des moyens de l'exploiter davantage. Les orientations magnétiques du noyau du vortex et des domaines d'un micro-aimant, par exemple, pourrait peut-être être utilisé pour coder des informations sous la forme de 0 et de 1.

Les chercheurs visent maintenant à répéter ce travail avec des matériaux antiferromagnétiques, où l'effet net des moments magnétiques individuels s'annule. Ceux-ci sont prometteurs en ce qui concerne l'informatique - en théorie, des matériaux antiferromagnétiques pourraient être utilisés pour fabriquer des dispositifs qui nécessitent peu d'énergie et restent stables même en cas de perte de puissance, mais beaucoup plus difficiles à étudier car les signaux qu'ils produisent seront beaucoup plus faibles.

Malgré ce défi, Folven est optimiste. "Nous avons couvert le premier terrain en montrant que nous pouvons faire des échantillons et les regarder avec des rayons X, " dit-il. " La prochaine étape sera de voir si nous pouvons faire des échantillons d'une qualité suffisamment élevée pour obtenir suffisamment de signal à partir d'un matériau anti-ferromagnétique. "