L’antiferromagnétisme révélé grâce à l’holographie par rayons X
Publié le mercredi 16 mai 2007.
Une nouvelle méthode d’holographie par rayons X a permis pour la première fois d’observer le comportement et l’organisation d’un matériau antiferromagnétique à l’échelle nanométrique.
Le ferromagnétisme est la capacité d’un matériau à conserver une orientation magnétique après qu’un champ magnétique lui ait été appliqué (Fig.1). C’est le cas des aimants par exemple, mais cette propriété est également exploitée depuis plusieurs décennies dans le stockage d’information magnétique (disques durs, mémoires flash...). L’origine de la conservation de ce magnétisme est bien connue et expliquée par l’organisation des atomes en domaines (appelés domaines de Weiss) : dans chaque domaine, les spins [1] atomiques, qui agissent comme de petits moments magnétiques individuels, tendent à tous s’aligner suivant la même direction ; il en résulte alors un magnétisme global, macroscopique, du matériau.
Fig.1 - Représentation schématique des trois types de comportement magnétique exposés ici, sous l’action puis après annulation d’un champ magnétique appliqué.
Un matériau ferromagnétique conserve une aimantation (champ coercitif B) après annulation du champ magnétique appliqué. Au contraire, le paramagnétisme résulte d’une orientation aléatoire des moments, laissant le matériau non-aimanté. Dans le cas de l’antiferromagnétisme l’aimantation globale du matériau reste également nulle, mais les moments magnétiques individuels s’alignent selon un ordre à grande distance.
Crédits : P.HIREL - Spectrosciences 2007.
Au contraire, un matériau antiferromagnétique s’arrange pour ne conserver aucune polarité magnétique résiduelle. Souvent, les matériaux antiferromagnétiques exhibent deux comportements différents selon la température (Fig.1) : au-dessus d’une température critique (appelée température de Néel du matériau), ils peuvent être paramagnétiques ; sous l’action d’un champ magnétique, ils s’aimantent, mais dès que l’action du champ cesse, les spins se désorientent de façon aléatoire, ne laissant aucune aimantation macroscopique. En-dessous de leur température de Néel, ils sont antiferromagnétiques, autrement dit les moments magnétiques se rangent dans des domaines de sens opposés les uns aux autres, rendant l’aimantation globale du matériau nulle. Le paramagnétisme et l’antiferromagnétisme empêchent tous deux le matériau de conserver une aimantation, la différence majeure étant que dans le cas de l’antiferromagnétisme, il existe un ordre magnétique, un arrangement sous forme de domaines. Mais, alors que les domaines de Weiss des matériaux ferromagnétiques sont visibles parfois à l’oeil nu, les domaines présents dans les matériaux antiferromagnétiques sont bien plus ténus, faisant intervenir des échelles bien inférieures au micron. Leur observation restait donc jusqu’ici extrêmement complexe.
Des scientifiques du Center for Nanoscale Materials à l’Argonne National Laboratory (USA), du London Centre for Nanotechnology (GB) et de l’University of Chicago (USA) ont mis au point une technique utilisant des rayons X, rayonnements qui ont des longueurs d’onde semblables à la taille des domaines antiferromagnétiques. Cette méthode, appelée spectroscopie par corrélation de photons X, s’est effectuée grâce à l’Advanced Photon Source, un synchrotron situé près du campus d’Argonne (USA). Le matériau étudié est le chrome (Cr), un métal antiferromagnétique de structure cubique centré, qui est porté à des températures descendant de 150 à 4K, soit bien en-dessous de sa température de Néel (TN=311K). En collimatant un faisceau de rayons X partiellement cohérents sur l’échantillon de chrome, les chercheurs ont constitué une figure de diffraction qui renseigne sur l’ordre et l’organisation des domaines dans le matériau.
Fig.2 - La figure obtenue par diffraction de rayons X partiellement cohérents sur un échantillon de chrome (fausses couleurs).
Les chercheurs ont extrait de ces mesures la taille moyenne des domaines antiferromagnétiques du chrome, qui serait d’environ dix nanomètres [2]. Ils ont de plus montré que la position des parois de ces domaines fluctue avec le temps, ce qui peut être imputé à l’agitation provoquée par la température lorsque celle-ci est relativement élevée. Mais en-dessous de 40K cette énergie thermique est insuffisante pour décrire à elle seule le mouvement des parois. Selon les scientifiques, l’explication la plus simple est que ces mouvements de parois de domaines se fait par effet tunnel, phénomène purement quantique qui semble activé à de telles échelles et températures.
La compréhension fine de l’ordre antiferromagnétisme revêt un aspect particulièrement crucial à l’ère des nanotechnologies. En effet, si un matériau antiferromagnétique est globalement non-aimanté, cela risque de ne plus être le cas lorsque la taille du matériau atteint celles des domaines. Il convient donc d’étudier ce qui se passe à de telles échelles, ces matériaux étant appelés à de nombreuses applications, notamment dans la spintronique, la conception et l’étude de nanoparticules antiferromagnétiques, ou le développement de l’ordinateur quantique.
Brève proposée par P.HIREL
Références :
(1) "Direct measurement of antiferromagnetic domain fluctuations", O.G. Shpyrko, E.D. Isaacs, J.M. Logan, et al., Nature 447, pp.68-71 (3 mai 2007) - DOI : 10.1038/nature05776 [En ligne ]
(2) L’article sur le site du London Center for Nanotechnology
(3) L’article sur le site de l’University of Chicago
(4) L’article sur le site de l’Argonne National Laboratory
[1] Le spin est une propriété typiquement quantique des particules subatomiques, qui peut se manifester sous la forme d’un moment magnétique intrinsèque ; c’est cette manifestation qui est intéressante ici.
[2] 1 nm = 10-9m.
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