Etudier les couches minces magnétiques par analogie avec la physique des bulles de savon

Par Nicolas Vernier / Publié le 28 mai 2018

Des physiciens du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/Université Paris-Sud/Université Paris Diderot) ont étudié des films minces de matériau magnétique en appliquant des concepts de la physique des bulles de savon. Cette approche, qui n’avait pas été employée jusqu’ici, a permis d’expliquer de nouveaux phénomènes.


Images Kerr (la partie sombre correspond à la zone où l'aimantation a été retournée) successives qui montrent l'effondrement spontané de la demi-bulle sur elle-même après sa création à l'aide d'une impulsion de champ magnétique à l'instant t=0. Les différents instants sont indiqués dans la partie supérieure gauche des images. Après l'impulsion de champ initiale, durant toute cette évolution, le champ magnétique au niveau de l'échantillon était nul. D'après X. Zhang - C2N (CNRS/Univ. Paris-Sud)

Il existe une très intéressante analogie entre la physique des couches minces magnétiques et celles des bulles de savon : dans les deux cas, il est possible de raisonner en termes d'interfaces, d'énergie associée à la superficie de celles-ci et de différence de pression de part et d'autre d'une interface. En physique des couches minces, le film de savon est remplacé par la paroi de domaines magnétiques, qui sépare deux zones dans lesquelles l'aimantation est uniforme. Et la pression du gaz contenu dans les bulles de savon est remplacée par l'action du champ magnétique (B) appliqué, qui crée une différence de pression (valant 2MB, M étant la densité d'aimantation). Ces concepts élémentaires ont été utilisés par les spécialistes des bulles de savon et ont permis d'expliquer de manière simple de nombreuses propriétés observées. Dans le cas des couches minces magnétiques, malgré ses atouts, cette approche n'a pas vraiment été employée.

Des chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/Université Paris), en collaboration avec l’Université Beihang en Chine et le laboratoire Spintec (CEA/CNRS/Univ Grenoble Alpes), ont observé dans des films ultradoux de CoFeB des phénomènes similaires à ceux connus pour les bulles de savon, et ils ont pu montrer que l’analogie s'imposait. Pour commencer, ils ont pu constater que des domaines magnétiques de forme hémicirculaire n'étaient pas stables en champ nul. Ce premier effet s'explique grâce à la pression de Laplace induite par la courbure de la paroi, qui tend à réduire le rayon du domaine hémicirculaire qu'elle délimite. En déterminant le champ extérieur qu'il faut appliquer pour stabiliser le domaine, ils ont pu déterminer l'énergie de tension interfaciale associée à la paroi. Ils ont aussi pu observer la répulsion entre deux domaines presque en contact : de manière totalement analogue à l'expérience classique des bulles de savon en contact, où la grosse bulle "mange" la petite, le gros domaine écrase le petit. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Physical Review Applied.

L'approche adoptée ici permet aussi d'expliquer un phénomène de piégeage des parois de domaines magnétiques très usuel, qui se produit au niveau d'un élargissement brutal de la section du nanofil. Ce piégeage s'explique par la force de tension interfaciale qui s'exerce au niveau de l'élargissement, qui tend à retenir la paroi et qu'il faut vaincre. La mesure du champ nécessaire au dépiégeage apparait comme une deuxième méthode pour mesurer directement l'énergie interfaciale de paroi. Cette énergie est un paramètre très important mais qui restait un paramètre difficile d'accès car les expériences permettant de la mesurer étant susceptibles d'être biaisées par de redoutables artéfacts, c’est-à-dire des signaux artificiels liés à la méthode expérimentale qui provoquent une erreur d'analyse. Ces expériences offrent enfin une méthode de mesure fiable, avec une compréhension des phénomènes simple et intuitive.

Référence :
Direct Observation of Domain-Wall Surface Tension by Deflating or Inflating a Magnetic Bubble
X. Zhang, N. Vernier, W. Zhao, H. Yu, L. Vila, Y. Zhang et D. Ravelosona
Physical Review Applied (2018)
DOI: doi:10.1103/PhysRevApplied.9.024032

-    Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/Université Paris-Sud/Université Paris Diderot)
-    Fert Beijing Institute, School of Electronic and Information Engineering, Beihang University, China
-    Unité Spintronique et technologie des composants -  SPINTEC (CEA/CNRS/Université Grenoble Alpes)

Contact :

Nicolas Vernier, Enseignant-chercheur à  l’Université Paris-Sud - Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/Université Paris-Sud/Université Paris Diderot) – nicolas.vernier @ c2n.upsaclay.fr

Dernière modification le 28 mai 2018