Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

01 décembre 2010
Le coup du sombrero

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.

 
Le coup du sombrero

Fig:1 La polarité d'un coeur de vortex magnétique (up ou down) est inversable par une impulsion micro-onde Π+ ou Π-.

Dans une étude récente, publiée dans Nature Physics,  nous démontrons le contrôle cohérent et l'inversion de la polarité d'un cœur de vortex par des séquences d'impulsions micro-ondes, en utilisant les propriétés dynamiques de ces objets dans un champ magnétique perpendiculaire. C'est le retournement du sombrero illustré en Fig.1.

En particulier nous avons déterminé la durée d'impulsion micro-onde optimale pour la commutation de la polarité (voir Fig.3 et Fig.4). Cette étude a permis de déterminer expérimentalement le temps caractéristique d'amortissement d'un coeur de vortex excité dans le régime des grandes oscillations. Il se trouve que ce temps est deux fois plus petit que celui mesuré dans le régime des petites oscillations, ce qui soulève pour la première fois la question fondamentale  d'une dissipation non-linéaire dans les objets magnétiques.

 
Le coup du sombrero

Fig.2 Image schématique du dispositif expérimental utilisé: un microscope à force par la résonance magnétique (MRFM).

 

 

Cette étude utilise la microscopie à force par la résonance magnétique (cf. Fig.2), un procédé développé depuis le début des années 1990 (cf. 3rd nano-MRI research conference : Exploring the frontiers of magnetic resonance imaging). Il s'appuie premièrement sur le phénomène de résonance magnétique, déjà mis en œuvre par l'IRM : un champ magnétique radio-fréquence bascule hors d'équilibre les spins s'il est à la bonne fréquence. Un gradient de champ magnétique code spatialement cette fréquence de résonance avec une résolution qui dépend de son amplitude. Il s'appuie deuxièmement sur les techniques de visualisation de la surface des atomes: la microscopie à force atomique, inventée en 1986 par des chercheurs d'IBM. Le nanodétecteur détecte la résonance des spins grâce à un levier mécanique, capable de vibrer à partir de l'absorption d'une quantité d'énergie très faible.

 
Fig.3 Détermination de la fréquence, puissance et durée d'un pulse micro-onde Π nécessaire pour retourner un coeur de vortex. (a) Pour chaque type d'impulsion, un pixel de couleur (Π-:teinte rouge, Π+: teinte bleue) marque une configuration où le renversement est réussi. La transparence donne la probabilité de commutation moyenne sur plus de 16 tentatives. Les expériences correspondent à trois valeurs de la durée de l'impulsion w. Pour chaque w, nous définissons le point de fonctionnement optimal de l'impulsion (carré rouge situé au bas de la courbe de niveau correspondante). (b) est le résultat d'un calcul numérique des expériences présentées en (a).
    
double pulse
Fig:4 Retournement d'un coeur de vortex par un train de deux pulses Π successifs dont la fréquence et le délai entre les pulse peuvent être ajustés. Les zones colorées montrent à nouveau les configurations permettant le retournement du coeur. (a) et (c) sont le résultat des expériences de renversement du bas vers le haut et inversement pour (b) et (d). Seule la phase intégrée au cours de l'impulsion est importante. Cette phase intégrée est le produit de la fréquence avec le délai. Sur la figure cela donne lieu à des régions ayant des formes hyperboliques. Cela peut aussi être illustré en inversant la phase entre les deux pulses. Les images obtenues, montrées en bas, sont alors complémentaires de celles du haut.
 

Pour en savoir plus:

"Optimal control of vortex-core polarity byresonant microwave pulses"
B. Pigeau, G. de Loubens, O. Klein, A. Riegler, F. Lochner, G. Schmidt and L. W. Molenkamp,
Nature Physics published on line : 31 october 2010.

"Bistability of Vortex Core Dynamics in a Single Perpendicularly Magnetized Nanodisk"
G. de Loubens, A. Riegler, B. Pigeau, et al.
Phys. Rev. Lett. 102, 177602 (2009)

"A frequency-controlled magnetic vortex memory"
B. Pigeau, G. de Loubens, O. Klein, et al.
Appl. Phys. Lett. 96, 132506 (2010)

Brèves de l'IRAMIS (Mai 2009) : "Bistabilité de la dynamique de coeur de vortex dans un nanodisque".

 

Maj : 31/08/2018 (1692)

 

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