Explorer les structures magnétiques avec des instruments à base de diamant
Les scientifiques s’intéressent au comportement des spins et des charges dans les systèmes magnétiques pour une raison bien précise. Comprendre le comportement de ces propriétés permettra de mettre au point des technologies magnétiques plus rapides, plus petites et plus efficaces sur le plan énergétique. Bien qu’un certain nombre de techniques performantes soient utilisées pour étudier les structures magnétiques, la plupart d’entre elles présentent des inconvénients contraignants. La magnétométrie basée sur le spin des électrons au niveau des défauts de type azote-lacune (NV, pour nitrogen vacancy) dans le diamant est une technologie émergente qui semble pouvoir offrir un moyen très sensible et polyvalent d’étudier les systèmes magnétiques. Les magnétomètres dopés au diamant peuvent fonctionner dans une large fourchette de températures, des conditions cryogéniques aux températures ambiantes et au-delà, possèdent une plage dynamique allant du courant continu aux gigahertz et permettent des distances capteur-échantillon de l’ordre du nanomètre. Ainsi, la magnétométrie basée sur les NV donne aux scientifiques la possibilité d’étudier les phénomènes magnétiques et électroniques statiques et dynamiques avec une résolution spatiale nanométrique. Grâce à cette technologie, une équipe internationale de chercheurs a présenté un mode d’imagerie permettant de détecter aussi bien la magnétisation que les champs magnétiques parasites qui en résultent: il s’agit de l’imagerie magnétique à large champ dotée de capacités de détection magnéto-optiques combinées. Soutenue par les projets ASTERIQS et 3D MAGiC, financés par l’UE, l’équipe a utilisé ce système pour obtenir des images des domaines dans les pistes magnétiques de structures ferromagnétiques multicouches. Leurs résultats ont été publiés dans la revue «Physical Review Applied». Les recherches ont été menées par le physicien Dmitry Budker, de l’université Johannes Gutenberg de Mayence, qui a aussi dirigé Dark-OsT, un projet financé par l’UE ayant également eu recours à la magnétométrie, cette fois-ci pour détecter les signatures des secteurs sombres. Dans l’article, les auteurs indiquent que le système d’imagerie utilisé dans l’étude actuelle «est constitué d’un microscope à épifluorescence sensible à la polarisation qui comprend un capteur en diamant et exploite les rayonnements servant à effectuer des mesures magnétométriques, afin de mesurer l’effet Kerr magnéto-optique (MOKE)». Ils poursuivent ainsi leur explication: «Un tel instrument permet une détection combinée de la magnétisation et des champs magnétiques parasites qui en résultent, sans générer la moindre perturbation magnétique. Il est également utilisable dans une large gamme de températures, ce qui en fait un outil idéal pour l’étude des structures magnétiques et de leur dynamique dans un large éventail de conditions.» Les mesures MOKE permettent de détecter les moments magnétiques de manière indirecte, par le biais des changements de polarisation de la lumière lorsqu’elle est réfléchie par une surface magnétique. Il est ensuite possible de déterminer la magnétisation à partir du signal de polarisation, grâce à la constante de Kerr du matériau.
Étendre les techniques actuelles
En montrant comment l’ajout d’une analyse de polarisation pouvait également intégrer des informations sur la magnétisation de l’échantillon, les chercheurs ont réussi à étendre les techniques récentes d’imagerie magnétique NV employées pour étudier les systèmes magnétiques. «Des développements supplémentaires du dispositif expérimental actuel sont envisageables, aussi bien pour la composante MOKE que pour la composante NV de la technique d’imagerie», font remarquer les auteurs. «L’imagerie basée sur les NV, par exemple, peut être étendue au régime de champ nul […] voire être exploitée dans un mode sans [micro-ondes]. Par ailleurs, […] la configuration […] peut être étendue aux mesures des MOKE longitudinaux et transversaux, c’est-à-dire à une mesure des magnétisations dans le plan, en éclairant l’échantillon sous un certain angle d’incidence. […] Surtout, cette illumination oblique permet une acquisition véritablement simultanée d’images NV et MOKE, car le faisceau réfléchi et la fluorescence sont alors détectés dans des zones distinctes de la caméra (ou visualisés indépendamment à partir de leurs chemins optiques respectifs).» Ces travaux pourraient permettre de mieux comprendre la physique de la matière condensée ainsi que les structures ferromagnétiques. ASTERIQS (Advancing Science and TEchnology thRough dIamond Quantum Sensing) et Dark-OsT (Experimental Searches for Oscillating and Transient effects from the Dark Sector) prendront fin en 2021. 3D MAGiC (Three-dimensional magnetization textures: Discovery and control on the nanoscale) se poursuivra jusqu’en juin 2026. Pour plus d’informations, veuillez consulter: site web du projet ASTERIQS projet 3D MAGiC projet Dark-OsT
Mots‑clés
ASTERIQS, 3D MAGiC, Dark-OsT, magnétique, NV, azote-lacune, diamant, magnétométrie