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Voyage au pays des nano-aimants, Mathieu Cormier et André Thiaville

jeudi 15 novembre 2007, Laboratoire de Physique des Solides (Orsay)

vendredi 30 novembre 2007, par Séverine

Jeudi 15 novembre, André Thiaville, directeur de recherche au CNRS et Mathieu Cormier, doctorant, ont accueilli les participants au second « jeudi de la recherche » de la saison au Laboratoire de Physique des Solides de la faculté des sciences d’Orsay… pour un voyage au pays des nano-aimants.

En préambule à la visite des expériences, première étape dans la salle de réunion pour un petit tour d’horizon sur le magnétisme. Ici trône un poster avec la photo d’Albert Fert, récent lauréat du prix Nobel de physique pour la découverte de la « magnétorésistance géante » à la fin des années 1980. Le Laboratoire de Physique des Solides peut en effet s’enorgueillir d’avoir abrité les recherches fondatrices de deux prix Nobel, le premier étant Pierre-Gilles de Gennes qui travaillait au laboratoire dans les années soixante. C’est la plupart du temps dans les laboratoires de recherche fondamentale, bien en amont, que se font les découvertes qui donneront lieu, plus tard, à des applications. Pour leur part, André Thiaville et Mathieu Cormier explorent les phénomènes d’aimantation dans des matériaux magnétiques aux dimensions de plus en plus réduites. Pour ce jeudi de la recherche, ils ont choisi de présenter leurs travaux sous l’angle de l’électronique de spin, cette nouvelle science née de la découverte de la magnétorésistance géante.

Qu’est-ce que le magnétisme ?

Là n’est pas le concept le plus aisé à expliquer en physique ! Nous connaissons tous des phénomènes liés à l’existence de champs magnétiques : celui de la Terre qui oriente l’aiguille d’une boussole, celui d’un aimant qui attire certains objets métalliques ou encore celui créé par un courant qui passe dans une bobine de fil électrique. Ce dernier exemple nous montre qu’électricité et magnétisme sont liés. Cela vient du fait qu’ils ont tous deux le même support microscopique, l’électron. L’électron possède une charge électrique : son déplacement engendre un courant. Mais il possède également ce que les physiciens appellent « un spin ». C’est une propriété issue de la mécanique quantique qui ne concerne que les particules extrêmement petites. En raison de ce « spin », on peut considérer qu’à l’électron est associée une petite boussole ne pouvant s’orienter que dans deux directions. On parle de spin-up ou spin+(vers le haut) et spin-down ou spin- (vers le bas) et on représente le spin par une petite flèche. Dans un matériau non-magnétique, les spins sont orientés de façon aléatoire ; leurs effets se compensent et il n’y a pas d’aimantation globale. Par contre, dans un matériau dit ferromagnétique, les atomes s’organisent spontanément en « domaines » à l’intérieur desquels tous les spins sont alignés (voir schéma). Il en résulte une aimantation du matériau à l’échelle macroscopique. Si on applique un champ magnétique sur un tel matériau, on peut modifier les frontières et donc la répartition de ces domaines.

domaines magnétiques

Dans un métal ferromagnétique, les électrons possédant un spin+ n’ont pas la même mobilité que les électrons possédant un spin- : on peut dire de façon simple que les électrons dont le spin est aligné avec l’aimantation du matériau conduisent plus facilement le courant électrique. Lorsqu’on applique un champ magnétique, on joue sur l’orientation de l’aimantation, et par conséquent sur la circulation des électrons, ce qui modifie la résistance électrique du matériau. Mais cet effet est faible (quelques %).

Les choses sont très différentes dans un matériau formé d’un empilement de couches de quelques atomes d’épaisseur, alternant couches ferromagnétiques et non magnétiques. Spontanément, les aimantations de deux couches magnétiques successives s’orientent de façon anti-parallèle, de sorte que les électrons de chacun des types de spin (+ ou -) sont ralentis dans une couche sur deux (voir schéma a). Par contre, si on applique un champ magnétique, même très faible, les aimantations de toutes les couches s’orientent dans le même sens (voir schéma b) : un des types de spin se propage très facilement dans toutes les couches, et la résistance du matériau chute brutalement.

Passage des électrons de spin + et - dans une multicouche

Cet effet ne peut être observé que dans des couches très minces (moins de 10 nm) sinon l’orientation du spin de l’électron est perturbée lors de son parcours et l’effet disparaît. Une telle expérience n’a donc pu voir le jour qu’en 1988 quand la technologie de fabrication de ces couches minces – par épitaxie par jet moléculaire [1] – a été maîtrisée. L’application majeure a été la mise au point d’une nouvelle génération de têtes de lecture pour les disques durs d’ordinateur. Sur ces disques, chaque bit d’information est porté par un petit domaine magnétique (formé de grains contenant chacun plusieurs milliers d’atomes) aimanté dans un sens ou dans l’autre dans le plan du disque (la future génération de disques durs utilisera un codage perpendiculaire au plan). Au début des années 90, la densité de stockage des informations n’était pas limitée par la taille de ces grains mais par la possibilité de lire l’information qu’ils contenaient, c’est-à-dire de mesurer le champ magnétique créé par chaque grain. A partir de 1996, tous les disques durs des ordinateurs se sont dotés de têtes de lecture utilisant le principe de la magnétorésistance géante pour « lire » les petits champs magnétiques associés à chaque petit grain ; la capacité de stockage des disques durs a alors crû de 60% par an, au lieu de 30% avant.

Quelques supports magnétiques de l’information
Un des premiers disques durs de 1956 , les disques durs actuels dans leur chassis et des micro-disques durs pour appareils-photos et camescopes. A ne pas confondre avec les Cd-Rom et DVD qui reposent sur une lecture purement optique des informations, stockées par gravure sur le disque.

Voir le magnétisme à petite échelle

Trois expériences de visualisation de domaines magnétiques ont été présentées au public. Dans la petite salle abritant ses microscopes optiques, Mathieu Cormier avait préparé plusieurs supports magnétiques d’information : un ticket de métro, un billet de train, une carte magnétique… Chacun contient bien peu de données par rapport à un disque dur d’ordinateur ! On peut visualiser le champ magnétique créé par les pistes de ces objets sur une plaquette transparente contenant des particules magnétiques en suspension que l’on approche des objets. C’est la méthode historique d’observations des « domaines magnétiques », apparue dans les années 1930. Pour ses recherches actuelles Mathieu Cormier observe les domaines magnétiques avec un microscope optique « classique » en transmission éclairé en lumière polarisée [2] : l’interaction avec la surface magnétique change la direction de la polarisation de la lumière. On peut ainsi, en analysant la polarisation du faisceau de lumière émergent,« imager » les différentes zones à la frontière desquelles le champ magnétique change (voir photo d’un grenat déposé en couches minces) et les voir se modifier si on approche un aimant.

Film de Grenat YIG dopé au Bismuth
L’observation se fait au microscope optique entre polariseurs légèrement décroisés en sens opposés. Les domaines up et down apparaissent en formant un labyrinthe jaune et vert. Image large de 200 µm Echantillon élaboré par J. Ben Youssef, Laboratoire de Magnétisme de Bretagne CNRS-UBO

Juste à côté une version plus sophistiquée de la même expérience : un laser remplace la lampe (on observe la réflexion du laser et non plus la lumière transmise) et le microscope est placé dans une enceinte dont la température est régulée. La sensibilité de ce type de microscope permet de détecter l’aimantation d’objets de quelques centaines de nm seulement : à ces échelles on ne fait pas d’image des domaines magnétiques mais on peut suivre l’aimantation dans le temps, et en fonction de différentes excitations, comme le passage d’un courant électrique dans l’échantillon par exemple.

La piste d’un disque dur de génération antérieure mesure 600 nm de large et la longueur des domaines est de 60 nm. André Thiaville en a démonté un pour nous. Cela ressemble à un miroir ! Il s’apprête à en faire une image à l’échelle nanométrique avec un microscope à force magnétique… Le principe est le suivant : un levier souple aimanté « se promène » au dessus de la surface en vibrant (à sa fréquence de résonance de l’ordre de 60 kHz). Lorsqu’il est suffisamment proche de la surface, il y a une interaction entre ce levier magnétique et le champ magnétique créé par la surface qui modifie la fréquence de vibration du levier (la position du levier est mesurée grâce à un système de capteurs optiques utilisant un laser). En quelques minutes, pour peu que personne ne parle dans la pièce en produisant des vibrations parasites, on peut obtenir une image du disque à l’échelle nanométrique.

Images par microscopie à force magnétique de disques durs.
A gauche un disque de 40 giga-octets ; à droite un disque de 4 giga-octets

Encore beaucoup de recherches en perspective…

Pour augmenter encore les capacités de stockage des disques durs ou développer de nouvelles applications, il faut que les chercheurs soient capables de comprendre et maîtriser la physique de ces matériaux magnétiques à l’échelle du nanomètre. Dans des matériaux très petits, les parois des domaines magnétiques jouent un grand rôle : on peut les déplacer en faisant passer un courant, elles peuvent même disparaître (on a une seule direction d’aimantation pour tout le nano-objet). L’agitation thermique (liée à la température) doit être prise en compte car elle peut être responsable d’un renversement spontané des domaines d’une orientation à l’autre (perte de l’information), etc. Toute une physique à découvrir !


[1Epitaxie par jet moléculaire : technique permettant de déposer sous ultra-vide des atomes sur une surface pour réaliser des couches « d’un atome » d’épaisseur.

[2Lumière polarisée : lorsque le champ électrique associé à l’onde lumineuse garde une direction fixe par rapport à la direction de propagation, on dit que la lumière est polarisée rectilignement. Ce peut être le cas par exemple suite à une réflexion sur une surface. Des filtres utilisés en optique, appelés polariseurs, permettent de laisser passer une seule composante de polarisation de la lumière