Institut des
NanoSciences de Paris
insp
insp
1.jpg

Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces, fait marquant

Nanomagnétisme : comment se passer de champ magnétique ?

A l’échelle nanomètrique, le contrôle d’aimantation d’objets magnétiques que requièrent nos ordinateurs notamment, pose des difficultés, dès que l’on applique un champ magnétique externe (problème de focalisation du champ et encombrement des bobines). Les chercheurs de l’Institut des nanosciences de Paris (INSP), en collaboration avec d’autres scientifiques de SOLEIL, proposent d’exploiter le phénomène d’auto-organisation des couches minces ferromagnétiques de MnAs(*), pour renverser l’aimantation d’une couche mince de fer par voie thermique, autour de la température ambiante, sans appliquer de champ magnétique (3).

 

A ce jour, les nouvelles technologies de stockage de l’information ont encore recours à la méthode classique de l’application d’un champ magnétique externe, comme dans le cas des boussoles (technologie inductive) : les bits dans les disques durs sont enregistrés par une tête d’écriture constituée d’un électroaimant qui vole à une distance infime de la surface des disques et oriente l’aimantation locale du milieu magnétique. Ce procédé a ses limites, notamment pour nos ordinateurs, si l’on considère que l’augmentation de la densité d’information nécessite la miniaturisation de toutes les dimensions critiques du processus d’enregistrement et l’augmentation du flux magnétique. Par conséquent, le contrôle de l’aimantation, via l’application d’un champ magnétique externe devient extrêmement compliqué à ces échelles, à cause d’une part, des champs de fuite (**) qui engendrent un problème de localisation dans la phase d’écriture et d’autre part, de la taille de la tête d’écriture qui entraîne un problème d’encombrement.

Ces considérations motivent une bonne partie de la recherche en nanomagnétisme à l’Institut des nanosciences de Paris où l’on étudie « des matériaux multifonctionnels », comme les couches minces de MnAs, GaMnAs et les alliages Fe-Ga. Des matériaux choisis pour leurs propriétés magnéto-élastiques qui permettent de contrôler l’aimantation par l’application d’une déformation élastique. Le but est donc de s’affranchir du champ magnétique externe, limitant ainsi les écueils de la méthode inductive évoqués précédemment.

Les chercheurs de l’équipe Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces (INSP), en collaboration avec Maurizio Sacchi (SOLEIL) , ont donc conçu une nouvelle méthode pour modifier la direction de l’aimantation d’une couche magnétique ultra-fine en épitaxie, en utilisant uniquement les propriétés du substrat MnAs/GaAs(001) (***). Ce substrat est un bon exemple de gabarit magnétique auto-organisé permettant le contrôle de l’aimantation locale de couches minces magnétiques d’éléments 3d tel que le fer.

A cause du fort couplage magnétoélastique, les couches minces de MnAs, lorsqu’elles sont épitaxiées sur du GaAs(001), présentent, à température ambiante, une auto-organisation sur un réseau de longues bandes périodiques ferromagnétiques (crêtes) séparées par des bandes non ferromagnétiques (creux) (Fig.1)

JPEG

Fig 1. Etude de la transition de phase de MnAs/GaAs(001) par STM en fonction de la température (4,2 x 4,2 μm2). La température est indiquée sur chaque image. La modulation de la surface correspond à l’alternance des phases ferromagnétique hexagonale α-MnAs (crêtes) et paramagnétique orthorombique β-MnAs (creux). La différence de niveau est de 2-3 nm. Les défauts, au centre de l’image, attestent que, les mesures STM ont été faites au même endroit de l’échantillon. [Thèse UPMC de Romain Breitwieser]

 

Ce phénomène d’auto-organisation est contrôlé par la température. Les chercheurs de l’INSP ont pensé utiliser le champ de fuite des bandes ferromagnétiques (Fig.2) afin de renverser l’aimantation d’une couche de fer qui se trouve au-dessus de la couche de MnAs.

JPEG
Fig.2. Modèle dipolaire magnétique pour expliquer le phénomène de retournement d’une couche mince de fer (5 nm) épitaxié sur MnAs(140nm)/GaAs(001). Par voie thermique on brise la continuité de la phase ferromagnétique de la couche de MnAs (α-MnAs) par l’apparition des bandes non ferromagnétiques (β-MnAs). Ceci induit un champ de fuite (Hdem) local qui induit un renversement abrupte de la couche de fer au-dessus. Le champ de fuite des bandes α-MnAs aligne la couche de fer dans une configuration antiparallèle. L’aimantation du fer est ainsi inversée par voie thermique.

 

Les couches de Fe et de MnAs sont initialement dans une configuration magnétique parallèle. Par une petite augmentation de la température, les chercheurs provoquent la structuration en bandes de MnAs (et du champ de fuite qui va avec). Ceci induit un alignement anti-parallèle entre l’aimantation de la couche mince de Fe et celle de MnAs [1]. Par conséquent, la configuration magnétique en rémanence du fer est déterminée par les lignes de champ provenant du gabarit auto-organisé. Ce résultat est visible sur les images X-PEEM (X-Ray Photoemission Microscopy) (SLS synchrotron, Switzerland) de la figure 3 [2]. Ce phénomène peut être utilisé pour renverser l’aimantation de la couche mince de fer par traitement thermique autour de la température ambiante, sans appliquer de champ magnétique. En effet, une petite variation de la température peut renverser l’aimantation d’une couche mince de 5 nm de Fe recouvrant 140 nm de MnAs. Ceci a été montré par diffusion magnétique résonante de rayons X (XRMS) au synchrotron à ELETTRA (Trieste, Italie).

JPEG
Fig.3. Image X-PEEM de Fe/MnAs aux seuils L3 du Manganèse (gauche) et du Fer (droite). Les bandes de α-MnAs sont verticales et alternées avec les bandes de β-MnAs qui apparaissent blancs ou noirs selon leur alignement par rapport à la direction du faisceau X polarisé circulairement, comme indiqué sur la figure du bas. On remarque l’alignement anti-parallèle du fer et de MnAs à une échelle submicrométrique (zoom). Mesures faites à SLS (Suisse).

 

Le résultat principal de ces mesures est reporté sur la Fig.4 et dans la référence [3]. A basse température, les aimantations des couches de MnAs et de Fe sont parallèles. Lorsque la température augmente, la continuité de la phase ferromagnétique de la couche de MnAs est interrompue par l’apparition des bandes non ferromagnétiques. Ceci crée un champ de fuite local qui induit un renversement abrupt -entre 13°C et 20°C - de la couche de fer au-dessus. Ainsi, à 20°C, l’aimantation du fer est complètement renversée par le champ de fuite des bandes ferromagnétiques de MnAs. Puis, en refroidissant jusqu’à la température initiale (10°C), le MnAs retrouve son aimantation initiale, alors que l’aimantation du fer reste de signe opposé tout en retrouvant bien la même valeur absolue.

JPEG
Fig.4. Renversement de l’aimantation de la couche ultra fine de fer (nm) en épitaxie sur MnAs/GaAs(001). Il s’agit des mesures de réflectivité X (XRMS) aux seuils L3 du fer et du manganèse. La polarisation de la lumière est circulaire. Il s’agit donc d’une mesure du magnétisme du fer et du manganèse, sélective chimiquement. On remarque que le fer (en rouge) retourne complètement son aimantation après un cycle thermique sans champ appliqué, à cause de l’apparition des bandes de α-MnAs. Les mesures ont été faites à ELLETRA (Tireste). Collaboration avec M. Sacchi (SOLEIL).

 

Ce résultat montre que, autour de la température ambiante, (1) il est possible de stabiliser plusieurs configurations magnétiques des couches minces de Fe et de MnAs et (2) l’aimantation du Fe peut être renversée par la réalisation d’un cycle thermique de quelques degrés, sans appliquer de champ magnétique. Ce phénomène est entièrement attribué à l’auto-organisation du gabarit de MnAs et au champ de fuite qui en découle. Les efforts actuels des chercheurs de l’INSP portent sur le contrôle thermique et sur la dynamique de renversement de l’aimantation locale de ce système. Il n’est pas interdit de rêver d’un système de stockage de l’information par voie thermique basé sur des couches minces auto-organisées...

(*) MnAs, Arséniure de Manganèse, est un métal ferromagnétique à température ambiante.
(**) Champ de fuite : les lignes de champ magnétique créées dans l’espace par des sources de champ magnétique, comme les aimants.
(***) Les directions d’aimantation de la couche de fer et de MnAs sont observées séparément par des techniques de lumière au synchrotron.

 

En savoir plus

1. M. Sacchi, M. Marangolo, C. Spezzani, L. Coelho, R. Breitwieser, J.Milano, and V. H. Etgens., Phys. Rev. B 77, 165317 (2008).
2. R. Breitwieser, M. Marangolo, J. Lüning, N. Jaouen, L. Joly, M. Eddrief, V. H. Etgens and M. Sacchi, Appl. Phys. Lett.93, 122508 (2008).
3. M. Sacchi, M. Marangolo, C. Spezzani, R. Breitwieser, H. Popescu, R. Dealaunay, B. Rache Salles, M. Eddrief, V. H. Etgens, Phys.Rev. B 81, R220401 ( 2010).