Le couplage magnéto-électrique suscite un vif intérêt dans le domaine des applications liées à la spintronique et à la conversion d’énergie. Des couplages forts rendent possibles  le pilotage des propriétés magnétiques par un potentiel électrique, l’effet inverse est aussi envisageable bien que technologiquement moins pertinent. Des couplages plus modestes quant à eux permettent d’envisager des mémoires magnéto-électriques multi-états. Au-delà du gain en densité d’information, des logiques multi-états permettraient d’augmenter considérablement les puissances de calcul. Malheureusement, les principes physiques de la ferroélectricité et du ferromagnétisme sont antagonistes [1] et les composés magnéto-électriques à température ambiante sont rares (si on veut bien inclure les matériaux antiferromagnétiques non compensés, inexistants sinon).

L’utilisation de couches minces épitaxiées permet d’apporter le degré de liberté manquant indispensable à la coexistence des 2 ordres à grande distance et ouvre la porte à l’élaboration de matériaux multiferroïques artificiels. Des matériaux très stables en conditions atmosphériques, tels que les oxydes, avec des températures d’ordre élevées (au-dessus de l’ambiante) sont des candidats idéaux. Dans ces systèmes il y a une forte interdépendance/interaction des paramètres magnétiques, ferroélectriques et structuraux. Une étude pertinente doit donc aborder l’ensemble de ces aspects.

Ce défi a été relevé dans le cadre du consortium du projet ANR-IOBTO (partenaires CEA/SPEC, Synchrotron-SOLEIL, INSP). Nous avons élaboré, par épitaxie par jets moléculaires, des hétérostructures à base de couches minces ferroélectriques de titanate de Ba, BaTiO₃, et de ferrite de cobalt ferrimagnétique: CoFe₂O₄. Une matrice d’échantillons d’épaisseurs réciproquement variables a été élaborée [2]. Chaque échantillon a été analysé pour ses états de contraintes, ses propriétés magnétiques et électriques [3] en utilisant, en particulier, massivement des techniques de rayonnement synchrotron afin de compenser la faible quantité de matière dans les couches. En effet, la relaxation structurale est quasiment complète lorsque le cumul d’épaisseur des couches est de l’ordre de 30 nm, limitant le potentiel de propriétés magnéto-électrique à des épaisseurs inférieures. Toutes les hétérostructures réalisées sont épitaxiées et d’excellente qualité cristalline (figure 1a). A partir de cartographies de l’espace réciproque réalisées en diffraction de surface des rayons X en incidence rasante on a pu remonter à l’ensemble de paramètres structuraux et mettre en évidence une partie contrainte et relaxée dans la couche de BaTiO₃. De façon contre intuitive on trouve que la relaxation structurale de chaque couche dépend étroitement de l’épaisseur totale en passant par des étapes caractéristiques en allant de l’adaptation au substrat pour les couches les plus fines jusqu’à la relaxation totale de chaque couche (figure 1b).

Currents circulating in excitable cells like neurons or nerve fibers may be measured by the radiated magnetic field.  At the organ level, these magnetic fields can be detected by non-invasive experiments using highly sensitive magnetometers such as SQUIDS, atomic magnetometers or mixed sensors, the latter using spin electronics. This technique, called Magneto-Encephalography, allows measuring neuronal activity at a millisecond resolution and for collective response of population of typically 10 000 neurons and more. To understand the genesis of the signals obtained in brain areas, it is relevant to investigate the fields generated at the level of one or few cells. This requires small and sensitive field sensors, operating at physiological temperatures, which has long been out of reach from existing technologies.

Spin electronics allow now developing small sized and very sensitive magnetometers, reaching the sub-nanotesla field range on micron-size sensors. These devices operate from low temperature to hundreds of °C, so they can be used at physiological temperature. Furthermore, spin electronics sensors, based on thin film technology, can be deposited on silicon or glass substrates which can be shaped in needle-type devices to allow penetration in tissues with reduced damages.

In the frame of the European FET-project “Magnetrodes”, the Nanomagnetism and Oxydes laboratory (LNO) at CEA-Saclay has designed and fabricated magnetic sensors called magnetrodes, as a magnetic equivalent of electrodes, to probe locally the information transmission of excitable cells. These sharp probes contain GMR elements in embodiment compatible with recordings within tissues.

In collaboration with Pascal Fries’team at the Ernst Strüngmann Institute in Frankfurt, Germany, the LNO laboratory has realised the first in vivo experimental measure of the magnetic signature of local field potentials in the cat’s visual cortex. It has paved a new way to a local description of electrical activity, without direct contact to the cell and which allows accessing not only the amplitude of the activity but also its direction of propagation, at any depth within the tissues.

La réalisation de dispositifs basés sur l’électronique de spin (spintronique) où une molécule magnétique est le composant actif est un objectif de premier plan dans le domaine du magnétisme moléculaire. La collaboration entre des groupes de physiciens et de chimistes, théoriciens et expérimentateurs avec le soutien du Laboratoire d’excellence NanoSaclay a permis de mettre en évidence la présence d’une bistabilité magnétique à l’échelle de la molécule individuelle. Pour ceci, les chercheurs ont greffé de manière covalente différentes molécules magnétiques (phosphonates à base de cobalt ou nickel) sur une surface ferrimagnétique d’oxyde de fer (Fe₃O₄). Ils ont mis en évidence, grâce à la combinaison de plusieurs techniques de caractérisation de surface, un greffage covalent d’une monocouche de molécules sur le film magnétique.

Des études de dichroïsme magnétique des rayons X sur la ligne DEIMOS du Synchrotron SOLEIL ont ensuite révélé la présence d’un couplage magnétique à l’interface molécule/film magnétique et la modification de l’anisotropie magnétique des molécules (selon le métal de transition considéré) conduisant à la présence d’un cycle d’hystérèse des molécules individuelles. Les calculs théoriques permettent de rationaliser les données expérimentales. Ces études ouvrent des perspectives de réalisation de dispositifs de spintronique moléculaire.

La découverte qu'un courant pur de spin peut  être transféré d'une couche magnétique isolante à une couche métallique adjacente, et vice versa, ouvre de nouvelles perspectives [1]. En particulier, cela permet d'incorporer des matériaux tels que le YIG, connu pour ses propriétés hyperfréquences inégalées, dans les dispositifs innovants de la spintronique. Même si ce matériau magnétique est isolant, il est en effet possible de détecter électriquement sa dynamique. En précessant à la fréquence de résonance, son aimantation perd du moment angulaire à l'interface avec le métal adjacent, qui offre un canal de relaxation pour l'aimantation dynamique : c'est le pompage de spin. S'il existe un couplage spin-orbite dans ce métal, comme dans le platine, ce courant de spin est converti en courant de charge par effet Hall de spin inverse, ce qui permet sa détection. Ce mécanisme est maintenant bien établi [3, 4, 5]. L'effet réciproque, à savoir le transfert d'un courant de spin – généré par effet Hall de spin dans le platine – dans la couche de YIG, n'a pas été reproduit depuis les premiers signes expérimentaux de compensation de la relaxation dans le YIG [1]. Un des problèmes récurrents des études expérimentales jusqu'ici est l'utilisation de couches épaisses de YIG (> 1 µm), alors que l'effet recherché est de nature interfaciale, donc prépondérant dans les couches ultra-minces. Un autre problème est l'utilisation d'échantillons de grande taille latérale (~ mm), où plusieurs ondes de spin quasi-dégénérées entrent en compétition vis-à-vis de la même source de moment angulaire, ce qui pourrait auto-limiter le phénomène et empêcher le démarrage d'auto-oscillations dans le YIG [6].

Il est possible d'isoler un seul mode dynamique susceptible d'absorber le courant de spin injecté, en réduisant fortement les dimensions latérales du YIG, afin de séparer en énergie les différentes ondes de spin [7]. Pour cela, il a pu être tiré parti des récents progrès dans la croissance de couche ultra-minces de YIG épitaxiales par ablation laser pulsé, obtenus par nos collègues de l'Unité Mixte de Physique CNRS/Thales [3]. Grâce à une technique de microscopie en champ proche développée au Laboratoire Nanomagnétisme et Oxydes du SPEC [8], les variations spectrales, induites par le courant injecté dans le platine d'un disque de YIG(20 nm)|Pt(7nm) de 5 microns de diamètre (figure 1), ont pu être étudiées.

In a vortex-state magnetic nanodisk, the static magnetization is curling in the plane, except in the disk center where it is pointing out-of-plane, either up (polarity p=+1) or down (p=-1). The lowest energy excitation mode of this ground state is the so-called gyrotropic mode [1], corresponding to a gyration of the vortex core around its equilibrium position at the center of the disk. In zero magnetic field, the resonant frequency of this mode is insensitive to the magnetization direction in the core, but the sense of the core rotation is determined by a right-hand rule to its polarity. Recent experiments performed at zero field demonstrated reversal of vortex core polarity through large amplitude excitation of the gyrotropic mode [2]. This dynamical reversal mechanism is of fundamental interest but also has potential application in information technology, with the vortex core polarity coding the binary information.

In order to investigate magnetization dynamics in individual vortex-state nanodisks, we have used the exquisitely sensitive technique of magnetic resonance force microscopy (MRFM), developed in the Nanomagnetism Group of SPEC [3] (see Fig. 1). The studied nanodisks with thickness 44 nm and diameter 1 µm are made of NiMnSb alloy, an ultra-low damping epitaxial material grown in Laurens Molenkamp's group (Würzburg Universität).

We have first demonstrated that the frequency degeneracy corresponding to the gyrotropic modes with opposite polarities in zero field can be lifted by applying a magnetic field perpendicular to the disk plane [4] (see Fig. 2). This Zeeman-like splitting can be used for a simple reading of the polarity state in an individual nanodisk. In order to discriminate the resonant frequencies f_- and f₊ associated respectively to the core polarities p=-1 and p=+1, it is necessary to choose the static magnetic field in such a way that the field-induced gyrotropic frequency splitting exceeds the linewidth of the gyrotropic mode. In our experiment, a bias field as small as µ₀H=13 mT is sufficient to fulfill this condition. Obviously, the microwave magnetic field employed to read the polarity state must be weak enough, so that the core polarity is not reversed during the reading sequence. 

We can also take advantage of this frequency discrimination in order to reverse deterministically the vortex core polarity, as shown in [5]. Starting with the vortex core polarity in, say, the p=+1 state, a single microwave field pulse whose carrier frequency is tuned at f₊ and with sufficient amplitude (that we shall call a Π₊ inversion pulse) will resonantly excite the gyrotropic motion of the core until it reaches the critical threshold for reversal. Once it has been reversed, the final state p=-1 is out of resonance with the writing pulse, so that it cannot be switched back to p=+1. Similarly, it is possible to write the state p=+1 starting from the p=-1 state using the appropriate Π_- pulse (see Fig. 3). This writing process has been shown to be very robust, as no mistake could be recorded out of several hundred attempts with our experimental parameters.

In sum, our frequency-controlled magnetic vortex memory prototype has two main advantages. Owing to the frequency discrimination allowed by a small perpendicular bias field, there is no need to control the circular polarization of the microwave field and to precisely time the writing pulse as it has to be in zero field. Also, deterministic and local addressing in a large array of memory cells is easily obtained by using the stray-field of the MRFM probe, that can be scanned laterally. Finally, a series of improvements can be imagined in order to make our memory prototype more practical. In particular, it would be useful to replace the MRFM detection by electrical detectors, and to use a local combination of the static and microwave fields at the intersection of a word and a bit lines to address the binary information in individual cells.