CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé


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).

Fengjiao Qian, Lars J. Bannenberg, Heribert Wilhelm, Grégory Chaboussant, Lisa M. Debeer-Schmitt, Marcus P. Schmidt, Aisha Aqeel, Thomas T. M. Palstra, Ekkes Brück, Anton J. E. Lefering, Catherine Pappas, Maxim Mostovoy, Andrey O. Leonov

The lack of inversion symmetry in the crystal lattice of magnetic materials gives rise to complex noncollinear spin orders through interactions of a relativistic nature, resulting in interesting physical phenomena, such as emergent electromagnetism. Studies of cubic chiral magnets revealed a universal magnetic phase diagram composed of helical spiral, conical spiral, and skyrmion crystal phases. We report a remarkable deviation from this universal behavior. By combining neutron diffraction with magnetizationmeasurements, we observe a newmultidomain state in Cu2OSeO3. Just below the upper critical field at which the conical spiral state disappears, the spiralwave vector rotates away from the magnetic field direction. This transition gives rise to large magnetic fluctuations. We clarify the physical origin of the new state and discuss its multiferroic properties.
 

http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aat7323

I. Mirebeau, N. Martin, M. Deutsch, L. J. Bannenberg, C. Pappas, G. Chaboussant, R. Cubitt, C. Decorse, and A. O. Leonov

Reentrant spin glasses are frustrated disordered ferromagnets developing vortexlike textures under an applied magnetic field. Our study of a Ni0.81Mn0.19 single crystal by small angle neutron scattering clarifies their internal structure and shows that these textures are randomly distributed. Spin components transverse to the magnetic field rotate over length scales of 3–15 nm in the explored field range, decreasing as field increases according to a scaling law. Monte Carlo simulations reveal that the internal structure of the vortices is strongly distorted and differs from that assumed for “frustrated” skyrmions, built upon a competition between symmetric exchange interactions. Isolated vortices have small noninteger topological charge. The vortices keep an anisotropic shape on a three-dimensional lattice, recalling “croutons” in a “ferromagnetic soup.” Their size and number can be tuned independently by the magnetic field and concentration x (or heat treatment), respectively. This opens an original route to understand and control the influence of quenched disorder in systems hosting nontrivial spin textures.

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.98.014420

Pure spin conductors could behave as nonlinear component in the high power regime, hereby opening up considerably the realm of functions realizable with magnetic materials. An additional feature is that these are continuously tunable by an external magnetic field.

 

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.

En utilisant un atome artificiel dans le diamant comme détecteur de champ magnétique ultrasensible, des physiciens ont imagé pour la première fois le champ de fuite rayonné par un composé de la vaste famille des antiferromagnétiques. Cette observation leur a permis d’étudier l’effet d’un champ électrique sur la modulation sinusoïdale de l’ordre antiferromagnétique dans un matériau multiferroïque.

 

Crystal-electric-field excitations and spin dynamics in Ce3Co4Sn13 semimetallic chiral-lattice phase
Kazuaki Iwasa, Yuka Otomo, Kazuya Suyama, Keisuke Tomiyasu, Seiko Ohira-Kawamura, Kenji Nakajima, and Jean-Michel Mignot

Inelastic neutron scattering experiments have been conducted to investigate the spin dynamics and crystal-electric-field level scheme of the Ce 4f electrons in Ce3Co4Sn13 . This compound exhibits a large specific heat at low temperatures and anomalous semimetallic transport in the chiral crystallographic phase below 160 K. Distinctly observed magnetic excitations at approximately 6 and 29 meV are asymmetric in spectral shape and are reproduced by two inequivalent crystal-electric-field splitting schemes, which are deduced from the chiral structure. We have also observed the spin dynamics reflecting antiferromagnetic correlations below 1 meV, which is enhanced with an upturn in the electrical resistivity below 15 K and which yields a low-energy density of state relevant to the large specific heat. We discuss the possibility of a three-dimensional Weyl semimetal state, considering the chiral-lattice symmetry, electronic hybridization, and magnetic correlation.

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.

Contrôler l’aimantation d’un réseau bidimensionnel de molécules à l’aide de la lumière, c’est ce que viennent de démontrer des équipes du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, de l’Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay, et du Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay. Dans des travaux publiés dans Nature Communications, ces chercheurs ont démontré expérimentalement et théoriquement la possibilité de faire transiter des molécules d’un état non-magnétique vers un état magnétique, à l’aide d’une irradiation laser, et sous contrôle de la pointe d’un microscope électronique à effet tunnel (STM). Ce travail ouvre des perspectives prometteuses dans le contrôle à l’échelle moléculaire de couches magnétiques bidimensionnelles.

 

Pour atteindre des niveaux ultimes d'intégration à l'échelle nanométrique, de nouveaux matériaux moléculaires sont développés pour le stockage de l’information et la spintronique. L'étude de leur élaboration et leur caractérisation, en particulier celle du contrôle de leur anisotropie magnétique, sont alors essentiels.

Peu de techniques expérimentales permettent d’accéder à l’anisotropie locale et à sa corrélation avec la structure moléculaire. Des chercheurs du Laboratoire Léon Brillouin (CNRS / CEA-Saclay), en collaboration avec des équipes de l’Institut Parisien de Chimie Moléculaire (IPCM) et de l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes, ont montré que la diffraction de neutrons polarisés permet une corrélation directe entre l’anisotropie magnétique locale et la structure de complexes moléculaires d’ions de transition. Ceci fournit un test crucial pour la prédiction de l’anisotropie magnétique par les méthodes de chimie quantique.

 

Des chercheurs du Laboratoire des multimatériaux et interfaces (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1) et du Laboratoire Léon Brillouin (CNRS / CEA-Saclay), en collaboration avec l’Institut nanosciences et cryogénie (CEA-Grenoble) et les Universités de Yamagata et Kwansai Gakuin (Japon), ont utilisé la diffraction des neutrons polarisés pour déterminer pour la première fois comment se comportent des molécules de complexes métalliques dans un champ magnétique (anisotropie magnétique). Ces résultats qui ouvrent de nouvelles perspectives pour l’optimisation des molécules-aimants ont été publiés dans la revue Chemistry - A European Journal et Angewandte Chemie.

 

Pour améliorer le traitement efficace et rapide de l'information au cœur des dispositifs hyperfréquences, la recherche fondamentale fournit de nouvelles pistes à explorer : spintronique, plasmonique, magnonique… autant de termes qui aujourd'hui désignent des méthodes avec lesquelles il peut être possible de stocker, traiter et relire l'information codée dans des états de spin, les oscillations de charges dans un cristal (plasmons) ou encore celles de l'aimantation d'un matériau magnétique (ondes de spin ou "magnons").

Au sein d'une collaboration de chercheurs européens, l'équipe du LNO du SPEC vient de montrer qu'il est possible de moduler le temps de relaxation des ondes de spin dans un matériau ferromagnétique isolant, par un courant continu d'électrons dans un métal adjacent [1]. Pour obtenir ce résultat l'équipe a utilisé un dispositif en couches minces et de dimensions latérales réduites. Ce processus est l'inverse, de celui mis en évidence par des chercheurs japonais en 2010 (production d'une tension électrique continue, induite par la relaxation de magnons à l'interface isolant ferromagnétique / métal) [2].

En 2010, des chercheurs japonais ont prouvé que du moment magnétique de spin pouvait être échangé entre l'aimantation d'un matériau ferromagnétique isolant et les électrons de conduction d'un métal normal adjacent [1]. En théorie, ce transfert de spin permet de contrôler électroniquement la relaxation de la couche magnétique, mais aucune expérience concluante n'a été réalisée depuis.

En mesurant précisément la largeur de raie dans le système hybride YIG | platine, il a pu être montré que le temps de relaxation du grenat d'Yttrium Fer (YIG) peut être réduit ou augmenté en fonction de la polarité du courant injecté dans le platine, couvrant une variation d'un facteur cinq [2].

 

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.

Au quotidien, les aimants permanents sont partout présents dans les dispositifs technologiques qui nous entourent. Aujourd’hui, il y en a 4 types principaux sur le marché mondial : NdFeB, ferrite, SmCo et AlNiCo, dont 65% contiennent des terres rares, essentiellement du néodyme. Depuis 2008, la Chine a établi un monopole de production des terres rares avec près de 95 % de la production mondiale, ce qui a entrainé une forte augmentation des prix ces dernières années. Suite aux restrictions de la Chine sur ses exportations, ce problème d’approvisionnement en terres rares est là pour durer.

Il y a donc un fort enjeu économique à trouver des alternatives à l'emploi des terres rares dans les aimants permanents. Une des voies, sur laquelle les équipes du LLB, de l’INSA de Toulouse et de l'ITODYS travaillent en collaboration, est d’utiliser l’anisotropie de forme pour augmenter la coercivité des matériaux. Il s’agit d’une idée ancienne, déjà utilisée en autre dans les aimants AlNiCo. Les progrès récents dans la synthèse de nano-objets magnétiques ont permis de revisiter l’idée et de l’appliquer à des métaux simples. Il a ainsi été possible de concevoir des matériaux à base de cobalt, ayant des propriétés intrinsèques équivalentes à celles des meilleurs aimants SmCo.

 

La fonctionnalisation du graphène est un sujet qui connait un intérêt croissant car elle peut permettre soit d’ajouter une propriété conférée par la molécule adsorbée, soit de modifier les propriétés électroniques du substrat, le graphène. Les chercheurs de l’Institut parisien de chimie moléculaire (CNRS/UPMC) en coopération avec des équipes du Service de physique de l’état condensé - SPEC (URA CNRS/CEA), de l’Institut Charles Gerhardt du CNRS, de l’Institut Néel du CNRS ont développé une nouvelle stratégie permettant d’offrir pour la première fois une plate-forme polyvalente en vue de la fonctionnalisation non-covalente à façon du graphène. Sa mise en œuvre aisée (en solution et température ambiante) et sa reproductibilité permettent d’envisager des dispositifs réalisés par techniques d’impression comme des (photo)transistors, capteurs etc… Ces travaux sont parus dans la revue Angewandte chemie international edition le 22 juillet 2014.

L’électronique de spin, où l'orientation du spin de l'électron est prise en compte comme support de l'information, poursuit son développement depuis plus de trente ans. La technologie associée s'appuie essentiellement sur l’utilisation de matériaux ferromagnétiques en couches minces, mais les matériaux antiferromagnétiques (AF) peuvent aussi présenter un grand intérêt dans la réalisation de couches actives.

Grâce aux récents progrès en diffraction de neutrons obtenus au LLB, et dans le cadre d'une collaboration avec l’Institut Jean-Lamour de Nancy, une étude d'un empilement de couches AF à base de chrome (Cr/MgO/Cr) a pu être menée. Celle–ci montre en particulier la nature du couplage de l'ordre AF entre les couches de Cr. Ces résultats renforcent l'intérêt de l'utilisation de couches AF dans la réalisation de dispositifs en électronique de spin.

Des physiciens ont créé un nouveau type de matériau multiferroïque en accolant deux films d’épaisseur nanométrique de cobalt et de titanate de baryum. À l’interface entre ces deux films, le magnétisme du premier se couple fortement à la ferroélectricité du second et cela même à température ambiante.

 

L'augmentation de la sensibilité des capteurs magnétiques et leur intégration ont permis d'augmenter considérablement la densité de stockage de l'information. Poursuivre ce mouvement est une forte incitation à réaliser des études explorant le comportement magnétique des nanostructures et nano-objets. Parmi ces objets, les nanofils sont des objets fascinants qui, du fait de leur faible section, montrent des effets nouveaux : les chercheurs du LSI ont ainsi explorés les propriétés de transport de nanofils de nickel et observés des effets de magnétorésistance très originaux, liés à la taille des objets étudiés.

 

Le stockage magnétique reste aujourd'hui le premier mode de stockage de masse de données. Une solution alternative, encore en cours de développement, peut être les mémoires à base de matériaux ferroélectriques, où la polarisation électrique locale permet le stockage de l'information. Ces types de mémoires présentent plusieurs avantages : non volatilité, faible consommation électrique, grande vitesse de lecture-écriture et fiabilité.

La réalisation de telles mémoires passe par la maitrise de l'élaboration de couches minces de matériaux, tels que BiFeO3, et de leur comportement ferroélectrique. Les partenaires d'une collaboration entre les laboratoires français, CEA-SPCSI, UMPhys CNRS/Thalès et de l'Université d'Evry, des Universités de l'Arkansas et de South Florida et du Department of Physics de l'Université de Shanghai, montrent, par une étude expérimentale et théorique, qu'il existe une épaisseur critique minimale pour stabiliser une phase ferroélectrique mono-domaine. Cette meilleure compréhension de la ferroélectricité en couche mince nanométrique est un élément important pour leur intégration dans les dispositifs à base de matériaux ferroélectriques.

 

L'aimantation de tout matériau macroscopique n'est pas uniforme, mais constituée de domaines d'orientation magnétique distincte, séparés par des parois magnétiques, dont le déplacement pilote l'évolution de l'aimantation. Pour sonder ces parois bidimensionnelles, mais présentant une certaine épaisseur, une technique sensible au magnétisme et permettant l'étude en volume est indispensable. Les neutrons étant porteur d'un spin et interagissant faiblement avec la matière, l'application de techniques d'imagerie neutronique a été proposée. Ce type de mesure vient d'être réalisé au Laboratoire Léon Brillouin, grâce à la fabrication d'échantillons modèles au magnétisme bien contrôlé. Les mesures directes de précession de neutrons polarisés à travers la structure magnétique permettent de reconstituer le profil de la paroi magnétique. Ce type de méthode doit permettre d'améliorer notre maîtrise du magnétisme et en particulier celui des nanostructures en couches minces.

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.

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.

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.

O.Bezencenet, A.Barbier, D.Bonamy, R.Belkhou (SOLEIL), P.Ohresser (SOLEIL)

Avec l'avènement de l'électronique de spin (spintronique), il est devenu particulièrement important de visualiser et de comprendre la manière dont se forment les domaines magnétiques dans les structures magnétiques. Ceci est plus particulièrement délicat pour les couches antiferromagnétiques, qui ne présentent aucune aimantation macroscopique et n'interagissent par conséquent que faiblement avec des sondes.

Ces couches antiferromagnétiques constituent un élément essentiel dans les hétérostructures magnétiques où elles sont appelées à piéger l'aimantation de couches voisines via le phénomène de couplage d'échange magnétique. Ce type de structure est la base de fonctionnement des capteurs magnétiques modernes (capteurs à magnéto-résistance géante, vannes de spin et jonctions tunnel) et sera très probablement intégré dans les mémoires magnétiques non volatiles du futur tout comme dans les structures multiferroïques. Les parois de domaines magnétiques conditionnent le niveau de bruit électronique dans les dispositifs. Il est donc particulièrement important de les maitriser.

 

Retour en haut