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.
Actuellement, la connaissance des profils de parois magnétiques (ou paroi de Bloch), zones de transition entre domaines magnétiques, est essentiellement théorique alors que ces défauts magnétiques sont au cœur des processus d'aimantation des matériaux et jouent un rôle important dans les propriétés de transport électrique de certains dispositifs d'électronique de spin.
Il existe un grand nombre de techniques d'imagerie magnétique (effet Kerr, microscopie AFM, imagerie PEEM aux RX, microscopie électronique…). Ces différentes techniques sont très puissantes mais restent des techniques de surfaces. De plus, si elles permettent généralement de distinguer des domaines magnétiques, elles ne sont pas assez sensibles spatialement pour sonder les parois magnétiques.
Les neutrons, porteurs d'un spin contrairement aux photons (lumière ou rayons X), sont des particules très sensibles au champ magnétique. De plus, ils pénètrent facilement à travers la matière (à la différence des électrons). La combinaison de ces deux avantages permet d’envisager l’utilisation des neutrons pour la caractérisation de structures magnétiques en profondeur et la caractérisation fine des parois magnétiques. L’utilisation des techniques de précession de neutrons pour sonder la structure de parois de domaines avait ainsi été proposée il y a très longtemps [1], mais sans succès. Une des difficultés techniques était de créer des parois de domaines uniques pouvant être caractérisées de façon détaillée. En collaboration avec le CEA Le Ripault et le Laboratoire de Physique des Solides d'Orsay, nous avons fabriqué des échantillons dans lesquels se développe uniformément une demi-paroi de Bloch dans l’épaisseur de la structure.
Muni de ces échantillons, nous avons développé au Laboratoire Léon Brillouin (LLB) les outils permettant de déterminer expérimentalement le profil de la paroi magnétique ainsi bien définie [2]. De nouvelles techniques de diffusion neutronique permettant d'étudier des structures magnétiques à l’échelle sub-micronique ont en effet été très récemment développées. Ces méthodes sont basées sur la précession de neutrons polarisés dans le champ d’induction d’un échantillon aimanté, dont la structure magnétique est non colinéaire.
Une demi-paroi de Bloch peut simplement être créée dans l'épaisseur d'un film mince en variant les anisotropies magnétiques des différentes couches superposées (Figure 1). La mesure de la précession (rotation de la polarisation) des neutrons à travers cette structure magnétique en fonction de l'angle d'incidence (Figure 2 gauche) fournit un spectre (Figure 2 droite) dont la modélisation permet de reconstruire le profil de la paroi magnétique (Figure 3).
L'utilisation des techniques de précession pour imager des structures magnétiques en volume avait été récemment démontrée pour la visualisation du piégeage du flux magnétique dans des supraconducteurs mais à des échelles millimétriques [3]. Notre approche permet d'accéder à des échelles de tailles caractéristiques sub-microniques, voire nanométriques. Plusieurs études basées sur cette nouvelle technique sont d'ors et déjà en cours : conformations de parois magnétiques induites par des courants électriques, structures magnétiques de micro-fils pour les applications hyper-fréquence, structures hélicoïdales complexes dans les hétéro-structures magnétiques, propagation des parois magnétiques dans des nanofils pour le stockage de l'information. Cette nouvelle technique d'imagerie neutronique permettra de sonder des structures magnétiques « en volume », ce qui n’était pas possible jusque-là avec les techniques d’imagerie classiques.
Références :
[1] On a proposal for determining the thickness of the transition layer between ferromagnetic domains by a neutron polarization experiment,
R. Newton and C. Kittel, Phys. Rev. 74 (1948) 1604.
[2] Probing magnetic domain wall profiles by neutron spin precession,
Neutron precession spectroscopy in inhomogeneous magnetic thin films.
P. Thibaudeau, F. Ott, A. Thiaville, V. Dubuget, F. Duverger, EuroPhysics Letters 93 (2011) 37003.
[3] Three-dimensional imaging of magnetic fields with polarized neutrons,
N. Kardjilov, I. Manke, M. Strobl, A. Hilger, W. Treimer, M. Meissner, T. Krist & J. Banhart,
Nature Physics 4 (2008) 399.
Contact : Frédéric Ott2
P. Thibaudeau1, F. Ott2, A. Thiaville3, V. Dubuget1,4 and F. Duverger1
1CEA/Le Ripault, DAM – BP 16, 37260, Monts, France.
2CEA, IRAMIS, Laboratoire Léon Brillouin, CNRS UMR 12 – 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France.
3Laboratoire de Physique des Solides, CNRS UMR 8502, Univ. Paris-Sud – 91405 Orsay Cedex, France.
4Laboratoire d'Electrodynamique des Matériaux Avancés, CNRS UMR 6157, Univ. F. Rabelais 37000 Tours, France.
