Commutation ultrasonore de l'aimantation
Publié par Redbran le 07/06/2019 à 14:00
Source: CNRS-INSP
Renverser l'aimantation de façon rapide, localisée, et sous un champ magnétique faible, voire nul, constitue l'un des enjeux majeurs de l'amélioration du stockage et de la manipulation de l'information codée magnétiquement. Une approche envisagée est l'utilisation de la magnétostriction inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...), c'est-à-dire la modification de la direction de l'aimantation induite par une déformation du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...). Ce processus est très efficace lorsque la déformation est produite dynamiquement par une onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par...). Un groupe de chercheurs/ses de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) des Nanosciences de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin...) a montré que ces ondes acoustiques sont en effet capables de faire commuter l'aimantation entre 2 positions de même énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), en champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) nul, et à distance.


Figure 1 - Des peignes interdigités alimentés par une tension rf génèrent par effet piézoélectrique une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux...) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) (SAW) propagative qui interagit avec l'aimantation. A faible amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) acoustique, l'aimantation précesse dans un cône. A forte amplitude, elle oscille entre 2 états de directions opposées, +M et -M. En suivant par effet magnéto-optique l'état de régions de quelques microns carrés de la couche, on met en évidence une commutation locale, et réversible de l'aimantation par plus de 20 impulsions acoustiques successives [1].

Dans un film magnétique possédant un axe privilégié d'aimantation, les deux directions opposées +M et -M de l'axe sont de même énergie, ce qui en fait un système idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde...) pour coder l'information de façon binaire, "0" ou "1". Il est possible de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) de l'une à l'autre par une voie dite précessionnelle: l'aimantation tourne à sa fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) propre autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) de sa position initiale sur une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) de rayon croissant ce qui lui permet de franchir un col d'énergie afin de tourner autour de sa position finale sur une orbite de rayon décroissant. Généralement, c'est un champ statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :) qui abaisse la barrière d'énergie, et un champ radio-fréquence ou un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont imposés par...) qui initie la précession (La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un objet ou, de façon plus générale, d'un vecteur sous l'action de l'environnement, par exemple, dans le cas de l'axe de rotation d'un...), imposant un stimulus local. Dans un composé magnétostrictif, un champ radio-fréquence effectif déclenchant également la précession d'aimantation peut être généré par une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) acoustique de surface (onde de Rayleigh), sorte de tremblement (Les tremblements sont des mouvements anormaux involontaires, rythmiques et oscillatoires, de faible amplitude. Ils peuvent être uni ou bilatéraux.) de terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la...) micrométrique à quelques centaines de MHz. Le renversement acoustique complet et distant de l'aimantation a ainsi été mis en évidence à l'INSP dans de fines couches de 50 nm de (Ga,Mn)As et (Ga,Mn)(As,P) [2,3], un système modèle fonctionnant à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) (<130 K, -143°C).

Jusqu'à présent, un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...) statique demeurait cependant nécessaire pour ce renversement, afin d'ajuster la fréquence propre de l'aimantation à celle de l'onde acoustique (500 MHz-1 GHz). Mais un désalignement infime entre ce champ et l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) favorise très fortement une des orientations +M ou -M, empêchant la commutation entre ces deux états, une limitation rédhibitoire pour d'éventuelles applications [4]. Une solution proposée, et démontrée récemment à l'INSP est de se mettre dans des conditions de température telles que la fréquence propre de l'aimantation en champ nul soit proche de celle de l'onde acoustique, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en restant suffisamment loin de la température de Curie pour que le renversement ne résulte pas d'une simple activation (Activation peut faire référence à :) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...), mais bien de l'onde acoustique. Nous avons ainsi observé le renversement à 100K de l'aimantation induite par des impulsions acoustiques de 250ns, ainsi que la commutation entre des états +M/-M de quelques microns carrés sur plus de 20 coups consécutifs [1]. Ces résultats restent à être confirmés sur des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) magnétiques fonctionnant à l'ambiante, mais ouvrent d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour les 8 gestionnaires du secteurs...) et déjà la porte à un renversement distant de l'aimantation par une onde, et sans champ magnétique, pour des mémoires magnétiques nouvelle génération [2].

Références:
[1] "Field-Free Magnetization Switching by an Acoustic Wave". I.S. Camara, J.-Y. Duquesne, A. Lemaître, C. Gourdon, L. Thevenard , Physical Review Applied 11 014045 (2019)
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.014045

[2] "The 2019 Surface Acoustic Waves Roadmap (En français: calendrier de lancement ou encore feuille de route, la roadmap est un document, généralement sous forme de tableaux, présentant les dates de sortie des nouveaux produits d'un constructeur de matériel ou d'un éditeur de logiciels.)". Delsing, Per, Cleland, Andrew N., Schuetz, M. J. A., Knörzer, J., Giedke, G., Cirac, J. I., Srinivasan, Kartik, Wu, Marcelo, Balram, Krishna Coimbatore, Bäuerle, Christopher, Meunier, Tristan, Ford (Ford Motor Company, généralement appelée simplement Ford, est un constructeur automobile américain.), Christopher J. B., Santos, Paulo V., Cerda-Méndez, Edgar, Wang, Hailin, Krenner, Hubert J., Nysten, Emeline D. S., Weiß, Matthias, Nash, G. R., Thevenard, L., Gourdon, C., Rovillain, P., Marangolo, M., Duquesne, J.-Y., Fischerauer, Gerhard, Reiner, Alexander, Paschke, Ben, Denysenko, Dmytro, Volkmer, Dirk, Wixforth, Achim, Bruus, Henrik, Wiklund, Martin, Reboud, Julien, Cooper, Jonathan M., Fu, Yong Qing, Brugger, Manuel S., Rehfeldt, Florian and Westerhausen, Christoph (2019) The 2019 Surface Acoustic Waves Roadmap. Journal of Physics D: Applied Physics. ISSN 0022-3727

[3] "Precessional magnetization switching by a surface acoustic wave". L. Thevenard, I. S. Camara, J-Y. Prieur, P. Rovillain, A. Lemaître, C. Gourdon, and J.-Y. Duquesne, Physical Review B 93 134430 (2016)

[4] "Resonant magneto-acoustic switching: influence of Rayleigh wave frequency and wavevector". P. Kuszewski, I.S. Camara, N. Biarrotte, L. Becerra, J. von Bardeleben, W Savero Torres, A. Lemaître, C. Gourdon, J.-Y. Duquesne, L. Thevenard, Journal of Physics: Condensed Matter 30 244003 (2018)

Contact:
Laura Thevenard - INSP
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