Stockage magnétique plus performant: cartographier le magnétisme à l'échelle atomique

Publié par Adrien le 23/01/2020 à 08:00
Source: CNRS INP
Observer et contrôler le magnétisme de surface à l'échelle atomique est un enjeu majeur dans la recherche d'un stockage magnétique de plus en plus performant. Grâce à une molécule magnétique greffée sur la pointe d'un microscope à effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands ouvrages hydrauliques...), des physiciens ont mis au point (Graphie) une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est...) versatile donnant accès à une double information sur le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement. Ces...) à l'échelle atomique.

L'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) possède une aimantation microscopique, son spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la...), qui, en l'absence de toute interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.), peut s'orienter aléatoirement dans l'espace. Au sein des atomes, les spins des électrons s'organisent, certains atomes étant magnétiques, d'autres non. De même, au sein des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), les atomes s'organisent, certains matériaux par exemple à base de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique...) ou de cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de masse atomique 59.) se comportant alors comme des aimants. Dans de tels matériaux dits ferromagnétiques, les spins s'alignent grâce à une interaction de proximité appelée interaction d'échange.

À ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et...), la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible...) à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la...) (STM) est la seule technique permettant de sonder le spin d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il...) unique et de cartographier les propriétés magnétiques d'une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) à l'échelle atomique. Dans un STM, un courant d'électrons passe entre une pointe sonde et la surface à étudier grâce à un effet quantique appelé effet tunnel (jonction tunnel). Il existe deux manières de visualiser la structure magnétique d'une surface. La première, connue sous le nom de STM polarisé en spin, exploite le courant tunnel d'une pointe magnétique afin de mesurer la résistance de la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") tunnel, celle-ci variant en fonction de l'alignement des spins sur la surface par un effet de magnétorésistance. La seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une...), à l'instar d'un microscope à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) magnétique, exploite la déflection d'une pointe magnétique produite par l'interaction d'échange avec la surface. Les deux méthodes souffrent du faible contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) que l'on exerce sur la structure de la pointe sonde.


Représentation de la jonction du microscope à effet tunnel avec en gris la surface sondée et en orange la pointe en cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à...) sur laquelle est greffée la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière...) de nickelocène (en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain...) l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La...) de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.), en gris les atomes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) et en blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre...) les atomes d'hydrogène).
© IPCMS (CNRS/Univ. Strasbourg)

Dans ce travail, les physiciens 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 Theoretical Physics est un tel institut.) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Univ. Strasbourg), en collaboration avec le laboratoire PASTEUR (CNRS/ENS Paris/Sorbonne Université) et des laboratoires étrangers dont le Peter Grünberg Institut (Jülich, Allemagne) et le Centro de Física de Materiales (Donostia-San Sebastián, Espagne), ont visualisé le contraste magnétique d'une surface à l'échelle atomique en greffant une molécule magnétique sur la pointe sonde d'un STM. Cette pointe sonde moléculaire émule conjointement un STM polarisé en spin et un microscope à force magnétique par la détection simultanée de la magnétorésistance et de l'interaction échange. La structure bien définie de la pointe sonde moléculaire et sa stabilité facilitent grandement l'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) d'une image avec un contraste magnétique, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en permettant de corréler les deux informations.

Les chercheurs ont sondé des atomes de fer et des nanostructures de cobalt déposés sur une surface de cuivre (non-magnétique) à l'aide de la molécule appelée nickelocène greffée sur une pointe en cuivre (figure). Cette molécule renferme un atome de nickel entre deux cycles carbonés et est magnétique. La nature quantique du spin entraîne l'existence d'un seuil dans la tension (La tension est une force d'extension.) électrique appliquée à la pointe: au-delà de ce seuil, les électrons de la jonction cèdent une partie de leur 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.) à la molécule, ce qui s'accompagne d'une augmentation du courant tunnel. Un changement de la valeur de la tension seuil traduit l'existence d'une interaction magnétique d'échange entre la surface et la pointe greffée. Les variations spatiales de ce seuil liées à la présence des atomes de fer ou de cobalt déposés sont détectées par la mesure du courant tunnel que l'on cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support réduit...), produisant ainsi une image du contraste magnétique de la surface. Le courant tunnel dépend de plus de la polarité de la tension seuil, ce qui permet de caractériser la magnétorésistance de la structure magnétique.

Le succès de cette approche tient notamment au contrôle et à la stabilité des propriétés magnétiques de la molécule. Facilement adaptable sur un STM conventionnel, cette méthode devrait se généraliser dans le futur et permettre une cartographie magnétique fine à l'échelle atomique.

Références:
Atomic-scale spin sensing with a single molecule at the apex of a scanning tunneling microscope.
B. Verlhac, N. Bachellier, L. Garnier, M. Ormaza, P. Abufager, R. Robles, M.-L. Bocquet, M. Ternes, N. Lorente, L. Limot. Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...), le 1 novembre 2019.
DOI: 10.1126/science.aax8222.
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