Court-métrage d’un nano-tourbillon magnétique

Villigen, 24.02.2020 - Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI ont réussi une première: réaliser un «film en 3D» de processus magnétiques qui se jouent à l’échelle du nanomètre. Ce «court-métrage» donne à voir une multitude de dynamiques dans le matériau, dont le mouvement des frontières en forme de tourbillons qui se trouvent entre les différents domaines magnétiques. Ces connaissances ont été obtenues grâce à une méthode récemment mise au point à la Source de Lumière Suisse SLS. Cette méthode pourrait contribuer à rendre les mémoires de données magnétiques plus compactes et plus efficaces. Les chercheurs publient aujourd’hui leurs analyses dans la revue spécialisée Nature Nanotechnology.

Qu’un aimant reste collé à la porte du réfrigérateur, cela n’est guère étonnant. Mais à l’échelle du nanomètre (un nanomètre est un millionième de millimètre), les structures magnétiques et leur comportement restent encore souvent une énigme pour les physiciens. En même temps, tout ce qui se passe à cette échelle revêt une grande importance pour les technologies de l’avenir. Maintenant, des chercheurs du PSI ont réussi pour la première fois à enregistrer un court «film» en 3D de la structure magnétique avec une précision de l’ordre du nanomètre.

«Dans notre quotidien, le magnétisme joue un rôle dans de nombreux domaines, explique Claire Donnelly, première auteure de l’étude. Mais, à cette toute petite échelle fondamentale, on n’a pas encore complètement compris les phénomènes.» A l’époque où les expériences ont été conduites, Claire Donnelly était encore chercheuse au PSI. Aujourd’hui, elle travaille à l’Université de Cambridge, en Grande-Bretagne.

Les chercheurs ont utilisé la lumière de type rayons X de la Source de Lumière Suisse SLS au PSI et une méthode tomographique spéciale, récemment développée au PSI, qu’ils appellent «laminographie ptychographique à résolution temporelle». L’équipe regroupait des chercheurs du PSI, de l’ETH Zurich et de Grande-Bretagne. L’échantillon étudié était un composé gadolinium-cobalt en forme de disque.

Plus de quatre jours pour sept images

«Notre méthode nous permet de radiographier le matériau de manière non destructive et, à partir des données, de reconstituer plusieurs images en 3D successives de la structure magnétique interne, explique Manuel Guizar-Sicairos, chercheur au PSI. A chaque point de mesure, nous visualisons la direction du moment magnétique et nous la représentons ensuite comme une minuscule aiguille de boussole magnétique.»

Comme la limaille de fer, ces aiguilles de boussole réagissent à un champ magnétique externe, mais également les unes par rapport aux autres, et forment des motifs complexes qui parcourent l’ensemble de l’objet. Il se forme alors ce qu’on appelle des domaines, où la magnétisation adopte majoritairement une certaine direction. Les transitions entre deux domaines, autrement dit les frontières entre les domaines, revêtent un intérêt tout particulier pour les chercheurs: «Il existe déjà des idées pour utiliser ces frontières comme bits de stockage, détaille Claire Donnelly. Avec elles, il serait probablement possible de compacter encore davantage les données qu’en utilisant les domaines proprement dits.» Mais on sait seulement depuis peu comment les frontières entre les domaines se présentent en détail en trois dimensions. Des méthodes d’imagerie ultramodernes, entre autres au PSI, permettent de les visualiser.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs sont allés encore plus loin: ils ont visualisé le mouvement des domaines, mais aussi des frontières entre les domaines. «Nous avons réalisé sept instantanés, qui montrent des instants séparés l’un de l’autre par un intervalle d’un quart de milliardième de seconde seulement, poursuit la chercheuse. Sur ces instantanés, nous pouvons voir une frontière entre les domaines qui oscille au cours du temps.» A lui seul, le recueil des données, qui ont ensuite donné cette séquence de sept images, a duré plus de quatre jours et demi.

Comme de la lumière stroboscopique

En appliquant un champ magnétique externe, les chercheurs ont provoqué eux-mêmes, de manière ciblée et répétée, le mouvement de la frontière entre les domaines qu’ils ont observé. Leurs images n’ont donc pas été prises à intervalles d’un quart de milliardième de seconde. Au lieu de cela, les chercheurs ont induit des changements du champ magnétique de manière répétitive, créant une boucle temporelle, et ont enregistré des images de l’état magnétique à différents moments -- semblable à la lumière d'un stroboscope, qui ralentit en apparence un mouvement répétitif.

Les séquences des images en 3D de l’intérieur de l’échantillon, quant à elles, sont basée sur un principe fondamental de la tomographie assistée par ordinateur (tomodensitométrie, scanographie ou CT-scan). Comme dans le cas du CT-scan médical, on réalise un nombre important de radiographies successives de l'échantillon à chaque fois d’une perspective légèrement différente. A partir des données recueillies, les chercheurs ont réalisé une cartographie en 3D de la magnétisation grâce à un logiciel qu’ils ont mis au point eux-mêmes.

«Avec cette méthode, nous avons réussi non seulement à obtenir des films en 3D de l’intérieur de l’objet avec une haute résolution temporelle, mais aussi à visualiser dans un aimant la dynamique à l’échelle du nanomètre, se réjouit Claire Donnelly. Nous avons donc montré que la nouvelle technique que nous avons développée est bel et bien pertinente pour le développement d’une nouvelle technologie.» «Notre nouvelle méthode peut aussi être employée pour d’autres matériaux, renchérit Manuel Guizar-Sicairos. De ce fait, elle pourrait avoir encore d’autres applications utiles à l’avenir.»

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann

À propos du PSI
L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 407 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

Publication originale

Time-resolved imaging of three-dimensional nanoscale magnetization dynamics
C. Donnelly, S. Finizio, S. Gliga, M. Holler, A. Hrabec, M. Odstrčil, S. Mayr, V. Scagnoli, L. J. Heyderman, M. Guizar-Sicairos, J. Raabe
Nature Nanotechnology 24 février 2020 (en ligne)
DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41565-020-0649-x

Adresse pour l'envoi de questions

Dr. Mirjam van Daalen
Responsable de la communication
Paul Scherrer Institut
CH-5232 Villigen PSI
Téléphone: +41 56 310 56 74
mirjam.vandaalen@psi.ch