Institut des
NanoSciences de Paris
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Acoustique pour les nanosciences

Magnéto-acoustique

  • Jean-Yves DUQUESNE
  • Pauline ROVILLAIN
  • Jean-Yves PRIEUR
  • Carolyna HEPBURN

La magnéto-striction, c’est-à-dire le couplage entre aimantation et déformation, offre un moyen original de contrôle des propriétés magnétiques. Ainsi, nous utilisons des ondes acoustiques de surface (ondes de Rayleigh) pour agir dynamiquement sur des couches minces magnétiques déposées et manipuler leurs propriétés magnétiques : effet magnéto-calorique, aimantation, ondes de spin, courant de spin....

Ondes de surface :

L’onde de Rayleigh est un mode élastique propagatif localisé à la surface d’un objet et dont la profondeur de pénétration est de l’ordre d’une longueur d’onde. Nous l’excitons et la détectons électriquement grâce à des transducteurs lithographiés sur un matériau piézoélectrique (GaAs, LiNbO3, ZnO...). Ces transducteurs se présentent sous forme de deux réseaux de traits interdigités (voir figure 1). Eventuellement, les dents sont divisées pour favoriser le fonctionnement sur les harmoniques. La gamme de fréquences accessibles est actuellement 0,1 à 3 GHz.

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Figure 1 : (a) Principe de l’excitation/détection d’ondes de Rayleigh. (b) Réponse à une excitation en train d’onde. (c) Image électronique d’un peigne interdigité.

Deux techniques de mesure de l’amplitude absolue des ondes de surface ont été développées, en collaboration avec B.Croset (« Physico-chimie et dynamique des surfaces »), L.Thevenard, C.Gourdon (« Nanostructures et systèmes quantiques  »), L.Largeau (C2N) et I.Camara (post-doc) :

  • mesure par diffraction des rayons X
  • mesure électrique des paramètres Sij du quadripôle acoustique.

Effet magnétocalorique dans MnAs :

Collaboration avec l’équipe « Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces  » (M.Marangolo, M.Eddrief)

MnAs est un matériau ferromagnétique qui possède des propriétés magnéto-caloriques* extrêmement fortes (*changement de température sous champ en condition adiabatique, ou variation d’entropie en condition isotherme). Nous avons montré que cet effet pouvait être déclenché dynamiquement par des ondes de Rayleigh, dans des couches minces (100nm) épitaxiées sur GaAs(001). Il se manifeste par de très fortes variations de l’atténuation et de la vitesse ultrasonore (figure 2). Ce travail a donné lieu au dépôt d’un brevet de thermomètre ultra-sensible.

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Figure 2 : Atténuation et vitesse des ondes de Rayleigh dans MnAs/GaAs(100), en fonction de la fréquence, de la température et du champ magnétique.

Renversement de l’aimantation dans GaMnAsP :

Collaboration avec l’équipe « Nanostructures et systèmes quantiques  » (L.Thevenard et C.Gourdon)
Voir aussi : Semiconducteurs-magnétiques

(Ga1-xMnx)(As1-yPy) est un semi-conducteur, ferromagnétique au-dessous de 110K. Ses propriétés magnétiques peuvent être modifiées en jouant sur la composition en manganèse et phosphore. Sur des composés à aimantation planaire ou perpendiculaire, une onde acoustique de surface peut induire :
- l’excitation de la résonance ferromagnétique, en régime linéaire et non-linéaire.
- le retournement de l’aimantation, dans un processus de précession de grand angle

Un microscope Kerr couplé à un montage acoustique permet de visualiser le retournement permanent de l’aimantation, en fin d’excitation non-linéaire (figure 3a). Le régime non-linéaire est aussi clairement observé sur le comportement de l’onde acoustique (figure 3b)

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Figure 3 : Retournement de l’aimantation, induit par une onde acoustique de surface. (a) Visualisation en imagerie Kerr. (b) comportement non-linéaire de l’atténuation acoustique. P0 désigne la puissance acoustique.

Un autre mécanisme de retournement de l’aimantation a également été mis en évidence dans le composé à aimantation perpendiculaire : par nucléation de domaines.

Magnéto-striction dynamique dans FeGa

Collaboration avec l’équipe « Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces » (M.Marangolo, M.Eddrief)
voir aussi : Croissance couches magnéostrictives

Fe1-xGax est un matériau présentant une très forte magnéto-striction. Nous mesurons les variations de vitesse et d’atténuation des ondes de surface, en régime non-résonant, en fonction du champ magnétique appliqué et de l’angle entre celui-ci et le vecteur d’onde. L’interprétation, dans le cadre de différents modèles, est en cours et pourrait donner accès à des valeurs précises des coefficients magnéto-strictifs.

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Figure 4 : Aimantation et vitesse du son dans Fe80Ga20. (a) : 100 nm (structure magnétique avec stripes). (b) 55 nm (structure magnétique sans stripes).

Spin pumping acoustique :

A l’interface entre un métal ferromagnétique et un métal normal, la précession de l’aimantation engendre un courant de spin dans le métal normal. Cet effet est amplifié à la résonance. Nous étudions l’émission de courant lorsque la résonance est excitée par une onde acoustique de surface.

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Figure 5 : (a) Dispositif (b) Emission d’un courant dans la plage de temps où le train d’onde acoustique traverse le bi-couche Métal normal / Métal ferromagnétique.


Publications :

2017

Vector network analyzer measurement of the amplitude of an electrically excited surface acoustic wave and validation by X-ray diffraction. I.S. Camara, B. Croset, L. Largeau, P. Rovillain, L. Thevenard and J.-Y. Duquesne J. Appl. Phys., 121:044503, 2017

2016

Laboratory X-ray characterization of a surface acoustic wave on GaAs : critical role of the instrumental convolution L. Largeau, I. Camara, J.-Y. Duquesne, C. Gourdon, P. Rovillain, L. Thevenard and B. Croset J.Applied Crystallography, 49:2073, 2016

Precessional magnetization switching by a surface acoustic wave L. Thevenard, I.S. Camara, S. Majrab, M. Bernard, P. Rovillain, A. Lemaître, C. Gourdon and J.-Y. Duquesne Phys. Rev. B, 93:134430, 2016.

Strong reduction of the coercivity by a surface acoustic wave in an out-of-plane magnetized epilayer. L. Thevenard, I.S. Camara, J.-Y. Prieur, P. Rovillain, A. Lemaître, C. Gourdon and J.-Y. Duquesne Phys. Rev. B (Rapid Comm.), 93:140405(R), 2016.

2014

Surface-acoustic-wave-driven ferromagnetic resonance in GaMnAsP epilayers. L. Thevenard, C. Gourdon, J.-Y. Prieur, H. J. von Bardeleben, S. Vincent, L. Becerra, L. Largeau, and J.-Y. Duquesne. Phys. Rev. B, 90:094401, 2014.

Surface acoustic wave triggering of giant magnetocaloric effect in MnAs/GaAs devices. M. Marangolo, W. Karboul-Trojet, J.-Y. Prieur, V.H. Etgens, M. Eddrief, L. Becerra, and J.-Y. Duquesne. Appl. Phys. Lett., 105:162403, 2014.

2013

Irreversible magnetization switching using surface acoustic waves. L. Thevenard, J.-Y. Duquesne, E. Peronne, H. J. von Bardeleben, H. Jaffres, S. Ruttala, J.-M. George, A. Lemaître, and C. Gourdon. Phys. Rev. B, 87:144402, 2013.

2012

Ultrasonic triggering of giant magnetocaloric effect in MnAs thin films. J.-Y. Duquesne, J.-Y. Prieur, J. Agudo Canalejo, V. H. Etgens, M. Eddrief, and A. L. Ferreira. Phys. Rev. B, 86:035207, 2012.

Brevet :

Thermomètre ultrasensible, interrogeable à distance.
« Dispositif piezoélectrique »
Marangolo, J.-Y. Duquesne, V.H. Etgens, J,-Y. Prieur, M. Eddrief CNRS / Université Paris 6, Brevet international N°PCT/FR2012/051535 du 03 juillet 2012, Issue de la priorité : FR 11 55988 - 04/07/2011