La plupart des applications traditionnelles du nanomagnétisme reposent sur le couplage de l’aimantation avec des champs électromagnétiques, soit sous la forme d'un champ magnétique variant lentement pour des applications de type capteurs, soit sous la forme de photons micro-ondes pour les applications de stockage et de manipulation de l’information. L’aimantation se couple également avec le bain d'électrons et avec le bain de phonons. Cette dernière interaction n'a jusqu'à présent guère été exploitée. En effet, seule une partie des matériaux magnétiques possède une « magnétostriction » importante (couplage direct entre le réseau cristallin et l'orientation de l’aimantation par le biais du couplage spin-orbite) et la plupart de ces matériaux magnétostrictifs ne se prêtent pas à une manipulation énergétiquement efficace de leur aimantation.
Il a récemment été démontré que, puisque le champ dipolaire des aimants dépend de leur forme, tout aimant dont la surface est déformée dynamiquement devrait voir son aimantation subir un couple. En collaboration avec le CEA SPEC à Saclay et dans le cadre du contrat ANR MAXSAW, une équipe du C2N a prouvé l'existence de ce couplage de « magnéto-rotation » et a démontré sa capacité à exciter très efficacement l’aimantation d'un nanocylindre magnétique, et ce dans le domaine des micro-ondes à l'aide d'une onde acoustique de surface. À condition que la forme géométrique soit correctement conçue, cela ouvre la voie au couplage de l’aimantation de surface de pratiquement n'importe quel matériau magnétique avec ses degrés de liberté élastiques.
Partie technique
La microscopie à force magnétique (MRFM) a été utilisée pour étudier la dynamique des vortex magnétiques dans des disques submicrométriques de CoFeB fabriqués sur un substrat piézoélectrique, comme illustré ci-dessous. Cette géométrie stabilise un état de vortex magnétique caractérisé par une aimantation tourbillonnant dans le plan autour d’un cœur de taille nanométrique où l’aimantation sort du plan. Classiquement, le cœur du vortex peut être amené en résonance par l'application de champs électromagnétiques micro-ondes. Sous une telle excitation, le cœur subit un mouvement de gyration, orbitant autour de sa position à une fréquence de résonance généralement comprise dans la gamme 100 MHz-1 GHz.
La gyration des vortex a été comparée lorsqu’elle est excitée de manière inductive par des champs magnétiques micro-ondes et de manière acoustique via des ondes acoustiques de surface (SAW) générées par des transducteurs interdigités (IDT) appropriés. Sur la base de la géométrie du dispositif et de la modélisation effectuée par l’équipe du C2N, il a été démontré que le mécanisme d'excitation par SAW résulte uniquement des rotations du réseau cristallin à la surface du matériau magnétique et à sa proximité. Cela génère un champ magnétique « roulant » efficace localisé uniquement au cœur du vortex. Cela contraste avec les contraintes magnéto-élastiques généralement supposées dans des expériences similaires, mais qui s'annuleraient parfaitement dans la géométrie du disque choisie. Ce couple de magnéto-rotation peut également être ajusté à l'aide d'un champ magnétique perpendiculaire.
Les résultats obtenus montrent que les textures de spin non uniformes telles que les vortex magnétiques peuvent être utiles pour étudier le couplage magnéto-rotationnel. Au-delà d'ouvrir de nouvelles perspectives pour la magnéto-acoustique micro-ondes basée sur les ondes acoustiques de surface (SAW), ces découvertes suggèrent également que d'autres textures non triviales, telles que les parois de domaine et les skyrmions, pourraient présenter des comportements qui ne sont pas accessibles par les contraintes magnétoélastiques conventionnelles.
Références
Experimental Observation of Vortex Gyration Excited by Surface Acoustic Waves,
R. Lopes Seeger,1, 2, ∗ F. Millo,1 G. Soares,2 J.-V. Kim,1 A. Solignac,2 G. de Loubens,2 and T. Devolder1
Phys. Rev. Lett. 134, 176704 (2025).
DOI:10.1103/PhysRevLett.134.176704
Affiliations
1Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, 91120 Palaiseau, France
2SPEC, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
Légende de la figure : (a) Schéma de l'expérience de microscopie à force magnétique résonante visant à détecter la gyration des vortex induite par les ondes acoustiques de surface. Un transducteur interdigité (IDT) excite les ondes acoustiques de surface sur un substrat piézoélectrique se propageant vers un disque que est dans l’état vortex (les couleurs codent l'orientation de la magnétisation dans le plan). Le dispositif comprend une antenne supérieure pour l'étalonnage avec excitation/détection inductive, visible sur l'image optique. L'encart est une vue agrandie de la constriction de l'antenne avec plusieurs microdisques de CoFeB. (b) Spectroscopie des excitations magnétiques pouvant être obtenues soit à l'aide d'une antenne traditionnelle (panneau supérieur), soit à l'aide du champ roulant de la SAW (panneau inférieur) à 0,86 GHz, par rapport au champ appliqué. La plupart des modes pouvant être excités par des champs magnétiques semblent également pouvoir l’être par les couples de magnéto-rotation.
