CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé


01 décembre 2010

L'un des objectifs les plus importants des technologies de l'information est le développement de mémoires non-volatiles rapides à haute densité, qui sont économes en énergie, et qui peuvent être produites par les technologies modernes de nanofabrication. De ce point de vue, les nano-objets magnétiques offrent un moyen commode pour stocker l'information binaire à travers leurs propriétés de bi-stabilité. Mais le développement pratique de mémoires magnétiques exige aussi de trouver un mécanisme performant pour inverser l'aimantation à l'intérieur de chaque cellule.

Actuellement,  l'état vortex d'un nano-disque magnétique fait l'objet de nombreuses études pour la richesse des effets physiques qui sont attachés à sa topologie singulière. Un vortex magnétique correspond à un état d'équilibre où l'aimantation statique tourne dans le plan de manière à minimiser son champ de fuite.  Une telle configuration laisse une anomalie dans la région centrale, appelée cœur,  où l'aimantation ne peut que  pointer hors du plan, soit vers le haut ou soit vers le bas, ces deux états possibles, appelés polarité, étant stables.  Des études expérimentales récentes ont montré qu'une inversion dynamique de la polarité d'un vortex était possible en induisant des mouvements de grande amplitude du coeur de vortex.

27 septembre 2010
B. Kundys, M. Viret, D. Colson (IRAMIS/SPEC) et D. O. Kundys

 

Les chercheurs de l'IRAMIS/SPEC viennent de montrer qu'en plus du couplage entre polarisation électrique, magnétisme et distorsion du réseau cristallin, l'oxyde BiFeO3 présente un couplage entre éclairement et déformation. Du fait de ces couplages, ce type de matériaux "multifonctionnels" offre la possibilité de commuter, sous l'action d'un signal externe d'une nature donnée (éclairement, contrainte, champ magnétique ou électrique externe), une propriété du matériau de nature différente (aimantation, polarisation électrique, déformation…). La possibilité d'observer l'ensemble de ces couplages (photostriction, électromagnétisme, électrostriction …) dans un même matériau, ouvre la voie à la conception d'une très grande variété de capteurs avec un extraordinaire potentiel applicatif.

14 avril 2010
Benjamin Pigeau, Grégoire de Loubens, and Olivier Klein: Groupe Nanomagnétisme

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).

Figure 1: Schematic of the MRFM technique. A magnetic spherical probe attached at the end of a soft cantilever is used to detect magnetization dynamics in the vortex-state nanodisk underneath.
Figure 2: (a) Frequency splitting induced by the perpendicular magnetic field between the gyrotropic modes corresponding to the opposite vortex core polarities p=-1 and p=+1. (b) Corresponding MRFM absorption signals measured at µ0H=65 mT.

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.

Figure 3: Frequency control of the vortex core polarity demonstrated at µ0H=65 mT. (a) The writing is performed every second by applying a short, high amplitude microwave pulse whose carrier frequency is tuned at either f+ or f-. (b) The reading is performed continuously between the writing pulses by MRFM using a low power cyclic absorption sequence at the cantilever frequency..

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.

16 septembre 2010
Eva Zakka-Bajjani, J. Dufouleur, N. Coulombel, P. Roche, D. C. Glattli, and F. Portier

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Contact: Dr. Fabien PORTIER

A conductor in equilibrium under a bias voltage shows current fluctuations proportional to its resistance and temperature. This type of noise is known as the Johnson-Nyquist noise, or equivalently, the thermal noise. In a quantum conductor, current fluctuations generate microwave photons which obey chaotic statistics (cf., blackbody radiation) if the conductor is at equilibrium. When the conductor is out-of-equilibrium; however, the stochastic aspect of the electron transport gives rise to different kinds of current fluctuations (quantum shot noise) that muddle the photon statistics. Understanding the link between the statistics of electrons and that of emitted photons is very intriguing as it will reveal the connection between quantum conductors and quantum optics. This problem has recently attracted theoretical interest, and a full spectrum of photon statistics, ranging from chaotic to non-classical, has been predicted [1]. 

Recently, the Nanoelectronics group at SPEC has performed the first experiments to put theories on test by measuring the statistics of microwave photons radiated by a simplest quantum conductor; a tunnel junction, in the shot-noise regime.

20 décembre 2010

Si la théorie quantique de la supraconductivité à basse température est aujourd'hui bien établie, une collaboration entre l'IRAMIS/SPEC, du Laboratoire P. Aigrain, du PLS d'Orsay et du DFTMC de l'Université de Madrid, vient de conforter le cadre théorique de la supraconductivité à l'échelle mésoscopique par la première observation directe des "états liés d'Andreev". Ces états sont des états de paires électroniques, similaires aux paires d'électrons de Cooper des supraconducteurs, qui apparaissent au sein d'une nanostructure métallique non supraconductrice, insérée dans un circuit supraconducteur. Du fait des réflexions (dites d'Andreev) aux interfaces et de la taille finie de la nanostructure, ils présentent des énergies bien définies sous forme de résonances dans la densité d'états électroniques, qui viennent d'être observées. Ce résultat permet de mieux comprendre une grande classe d'hétérostructures supraconductrices, dont certaines sont déjà utilisées comme dispositifs pour la nanoélectronique.

01 juin 2010

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Les expériences de violation d'une inégalité de Bell avec deux objets séparés dans l'espace sont considérées comme la meilleure preuve de la nature intrinsèquement quantique du monde : les états des deux objets peuvent être si intimement liés (les physiciens disent "intriqués") que parler de l'état de chacun d'eux n'a plus de sens, même lorsqu'ils sont très éloignés l'un de l'autre.

27 octobre 2010

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Julien Deseigne et Olivier Dauchot, chercheurs du Groupe Instabilités et Turbulence de l’IRAMIS-SPEC ont montré expérimentalement l’existence d’une mise en mouvement collective spontanée dans un système de grains circulaires vibrés autopropulsés. L’émergence de cet ordre est remarquable à deux titres. D’une part il n’est possible que dans un système dont les composants sont intrinsèquement hors équilibre. D’autre part il apparaît dans le cas présent alors que les interactions sont plutôt peu favorables.
30 mars 2010

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Les chercheurs du Groupe Instabilités et Turbulence de l'IRAMIS-SPEC ont montré expérimentalement que la transition de blocage de matériaux granulaires amorphes, qui se traduit par l'apparition d'une rigidité globale, se manifeste par la croissance d'une longueur de corrélation présentant un caractère critique.

(figure de titre : Champ de déplacement au voisinage d'un intrus tiré dans un milieu granulaire dense)

 

                 

fig_0001

Illustration 1: Schéma de l'expérience. Une particule intruse est tirée à force constante parmi les autres grains.

 

Illustration 2: Diagramme d'état, dans lequel deux transitions apparaissent : la transition de fluidification (courbe) et la transition de Jamming (vertical)

 

Vous avez un grain? Ils en ont des milliers ! Dans cette expérience du Groupe Instabilités et Turbulences, une assemblée amorphe de grains en 2D est compressée dans une cellule sous vibration horizontale (voir illustration 1) jusqu'à atteindre les états les plus denses possible : une transition apparaît alors, dite transition de blocage (Jamming) [1,2], donnant une rigidité globale au matériau par percolation dynamique des chaines de force.

Les caractéristiques fines de cette transition ont été étudiées au cours de la thèse de Raphaël Candelier au moyen d'une particule « intrus » tirée à force constante dans le milieu. Un diagramme de phase a été dressé, qui met en évidence la présence d'une ligne de fluidification, au dessus de la quelle l'intrus avance sans s'arrêter (comme dans un liquide visqueux) et en dessous de laquelle l'intrus adopte un mouvement intermittent, l'intensité des fluctuations se renforçant au voisinage de la transition de Jamming.

Sous la ligne de fluidification, la réponse à cette perturbation fortement non-linéaire présente une intermittence spatio-temporelle illustrée dans une vidéo :  Voir la vidéo

Les images brutes des grains sont représentées dans la partie inférieure, tandis que la partie supérieure montre ces grains après traitement d'image, la couleur codant leur vitesse instantanée. Il apparaît clairement dans cette configuration - très proche de la transition - que le matériau « hésite » entre un état très rigide et un état très fluide. Les réorganisations à longue protée que l'on peut apercevoir dénotent le caractère critique de cette transition qui a été mis en évidence quantitativement par une analyse du type « crackling noise » révélant des lois d'échelles.

Cette phénoménologie, explorée ici expérimentalement par un procédé original, est décrite dans deux publications récentes [3,4].

 

16 mars 2010
J. Scheibert, C. Guerra, F. Célarié, D. Dalmas and D. Bonamy

Du point de vue de leur comportement à la rupture, les matériaux sont traditionnellement regroupés en trois grandes classes :

  • (i) les matériaux ductiles qui, comme les métaux, se déforment de manière plastique avant leur rupture
  • (ii) les matériaux quasi-fragiles, tels que les roches ou les bétons, où la fracture débute par un endommagement sous forme de microfissures, dont la coalescence amène à la rupture brutale.
  • (iii) les matériaux fragiles, verres polymériques ou verres d'oxyde..., qui se déforment de manière parfaitement élastique avant la fracture, qui se produit par rupture successives des liaisons atomiques en pointe de fissure.

Les expériences réalisées à l'IRAMIS-SPCSI montrent qu'un même matériau peut, en fonction de la vitesse de fissuration, appartenir à deux de ces catégories : il est observé que le Plexiglas®, archétype des matériaux fragiles, s'endommage au delà d'une vitesse limite bien définie, par nucléation de microfissures, comme les matériaux quasi-fragiles.


 

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