image: A snapshot from the 3D film of the researchers. It shows a cross-section through the sample and in this plane the local alignment of the magnetic moments, represented by arrows in red (pointing to the right) and blue (pointing to the left). This makes the wavy structure and vortices in the magnetization visible. view more
Credit: Paul Scherrer Institute/Claire Donnelly
Des chercheurs de lInstitut Paul Scherrer PSI ont réussi une première: réaliser un «film en 3D» de processus magnétiques qui se jouent à léchelle 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 aujourdhui leurs analyses dans la revue spécialisée Nature Nanotechnology.
Quun aimant reste collé à la porte du réfrigérateur, cela nest guère étonnant. Mais à léchelle 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 lavenir. 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 lordre du nanomètre. «Dans notre quotidien, le magnétisme joue un rôle dans de nombreux domaines, explique Claire Donnelly, première auteure de létude. Mais, à cette toute petite échelle fondamentale, on na pas encore complètement compris les phénomènes.» A lépoque où les expériences ont été conduites, Claire Donnelly était encore chercheuse au PSI. Aujourdhui, elle travaille à lUniversité 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, quils appellent «laminographie ptychographique à résolution temporelle». Léquipe regroupait des chercheurs du PSI, de lETH Zurich et de Grande-Bretagne. Léchantillon 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 lensemble de lobjet. Il se forme alors ce quon 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 quen 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 dimagerie 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 lun de lautre par un intervalle dun 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 quils ont observé. Leurs images nont donc pas été prises à intervalles dun 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 létat 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 lintérieur de léchantillon, 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 dune perspective légèrement différente. A partir des données recueillies, les chercheurs ont réalisé une cartographie en 3D de la magnétisation grâce à un logiciel quils ont mis au point eux-mêmes.
«Avec cette méthode, nous avons réussi non seulement à obtenir des films en 3D de lintérieur de lobjet avec une haute résolution temporelle, mais aussi à visualiser dans un aimant la dynamique à léchelle 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 dune nouvelle technologie.» «Notre nouvelle méthode peut aussi être employée pour dautres matériaux, renchérit Manuel Guizar-Sicairos. De ce fait, elle pourrait avoir encore dautres applications utiles à lavenir.»
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Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann
Des images peuvent être téléchargées sur https://www.psi.ch/fr/node/32834.
Informations supplémentaires
Plongée dans un aimant. Communiqué de presse du 20 juillet 2017: https://www.psi.ch/fr/media/actualites-recherche/plongee-dans-un-aimant
Contact
Dr Manuel Guizar-Sicairos
Groupe de recherche Diffusion cohérente de rayons X
Institut Paul Scherrer, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Suisse
Téléphone: +41 56 310 34 09, e-mail: manuel.guizar-sicairos@psi.ch [anglais, espagnol]
Dr Claire Donnelly
Cavendish Laboratory, JJ Thomson Ave, Cambridge, CB3 0HE
Téléphone: +44 12 23 74 69 05, e-mail: cd691@cam.ac.uk [anglais]
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: 10.1038/s41565-020-0649-x
Journal
Nature Nanotechnology