NESTOR présente

Les romans-photos

de la recherche !

Par Jean-François Dars & Anne Papillault

photo André Kertész

RETOURNEMENTS MAGNÉTIQUES / MAGNETIC REVERSALS

Son et lumière pour les nano-déformations des champs magnétiques.

Light and sound for the nano-displacements seen by spins.

Laura Thevenard
1 Avr, 2016
Tapuscrit...

Laura Thevenard – Dans la plupart des ordinateurs, il y a deux grandes familles de matériaux, les matériaux semi-conducteurs, qui servent à faire le processeur, toutes les opérations logiques les calculs de l’ordinateur, et des éléments magnétiques, qui servent à enregistrer les données qui vont être exploitées par la partie calcul. Si c’était le même matériau qui faisait tout, en théorie, c’est pas tout à fait aussi simple que ça, ça permettrait d’accélérer les échanges d’information. Donc ma thématique de recherche consiste à étudier un matériau qui a la particularité d’être les deux à la fois, donc à la fois semi-conducteur et magnétique. Ce matériau s’appelle le GaMnAs, l’arsenic de gallium, dopé avec du manganèse. L’arsenic de gallium, c’est la partie semi-conducteur et le manganèse c’est la partie magnétique. Pour l’instant, il ne marche pas à température ambiante, donc il est assez peu probable qu’il va se retrouver demain dans vos ordinateurs, mais néanmoins il est très intéressant pour les physiciens parce qu’il permet de mettre à l’épreuve des modèles théoriques, et en particulier parce qu’on peut facilement ajuster ses caractéristiques.

Donc pendant longtemps, l’information sous forme magnétique a été manipulée par des champs magnétiques, mais on s’est vite rendu compte que si on voulait continuer à diminuer la taille de ces bits magnétiques, on ne pourrait pas continuer longtemps à utiliser les champs magnétiques. Parce que les champs magnétiques ont une extension spatiale qui est assez embêtante, et qui fait que si ces bits sont trop proches les uns des autres, en voulant renverser un avec un champ magnétique, on risque d’affecter l’autre. Donc une partie de notre travail consiste à essayer de manipuler la propriété principale de ce matériau, l’aimantation, autrement que par un champ magnétique. Par de la lumière par exemple, par un champ électrique, par un courant électrique ou encore par une onde acoustique.

Donc d’une part on fait des expériences d’imagerie optique, de microscopie Kerr, c’est-à-dire c’est un type de microscope qui voit si l’aimantation pointe vers le nord ou vers le sud, et d’autre part on a une autre expérience, où on envoie des impulsions laser cadencées, ces impulsions laser sont très rapides, et on vient diviser le faisceau laser en deux, une première partie vient exciter l’échantillon et la deuxième partie est retardée dans le temps par la première et vient sonder ce que la première impulsion a fait à l’échantillon.

Et d’autre part, on essaie de renverser l’aimantation avec des ondes acoustiques. Les matériaux qu’on étudie sont déposés par jets moléculaires, sous forme de couches nanométriques. On utilise en particulier des ondes acoustiques de surface qui déforment les atomes à la surface du matériau sur quelques microns d’épaisseur. Et on a pu montrer récemment que dans certaines géométries, on pouvait très efficacement assister le renversement d’aimantation avec une onde acoustique de surface. Pour nous, c’était vraiment une grande joie de voir sur l’image de l’écran, l’aimantation s’être retournée après une impulsion acoustique, parce qu’on avait au préalable fait des calculs, pour prédire les meilleures conditions qui mèneraient à ce renversement, et par une chance incroyable, ben, ça a marché presque du premier coup…

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Transcript...

Laura Thevenard – In most computers, there are two broad families of materials, semiconducting materials, used for the processor, all the logic operations and the calculations of the computer, and magnetic materials, used to store the data that will be used by the computational side. If the same material were used to perform every task, it would (in theory but it’s not quite as simple as that) speed up the flow of information. So my research topic is to study a material that happens to be both at once, both semiconducting and magnetic. This material is called GaMnAs, Gallium Arsenide doped with Manganese. The Gallium Arsenide is the semiconducting part, and the Manganese the magnetic one. For now, it doesn’t work at room temperature, so it’s rather unlikely it’ll end up in your computer in the near future, but it’s nevertheless very interesting for physicists because it allows testing of theoretical models, in particular because its characteristics can be easily adjusted.

So for a long time, data stored magnetically was manipulated by magnetic fields, but people soon realized that if they wanted to keep on reducing the size of these magnetic bits, they couldn’t go on much longer using magnetic fields. Because magnetic fields have a rather problematic spatial extension, so that if bits are too close one from another, when trying to reverse one bit we might end up switching another. So part of our work consists in trying to manipulate the main property of this material, the magnetization, other than by a magnetic field. Using light for instance, or an electric field, or an electric current, or even an acoustic wave.

So on the one hand we do optical imaging experiments called Kerr microscopy, it’s a type of microscope capable of seeing whether magnetization is pointing north or south, and on the other hand we have another set-up, on which we send repetitive laser pulses; these laser pulses are very short, and we split the laser beam in two, a first part excites the sample and the second one is time-delayed with respect to the first one and probes what the first pulse did to the sample.

On the other hand, we try to reverse magnetization with acoustic waves. The materials we are studying are deposited by molecular beams in the form of nanometric layers. In particular, we use surface acoustic waves that deform atoms from the surface of the material to several microns deep. And we showed recently that in certain geometries, we could very efficiently assist the reversal of magnetization using a surface acoustic wave. For us, it was a great joy to see the image on the screen, the magnetization having switched with an acoustic pulse, because beforehand we had done calculations, to predict the optimum conditions that would lead to this reversal, and by an incredible stroke of luck, well it worked almost on the first attempt…

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Physicienne, chargée de recherche CNRS dans l’équipe Nanostructures et systèmes quantiques de l’INSP, Laura Thevenard explore les possibilités de renversement d’aimantation de couches magnétiques de GaMnAs, ou arsenic de gallium dopé au manganèse, un matériau-test pour l’élaboration d’un futur matériau tout à la fois semi-conducteur et magnétique, capable d’implémenter les deux fonctions principales d’un ordinateur, la logique et la mémoire. Elle obtient ces déformations, réalisées sur des couches nanométriques, par des ondes acoustiques de surface, et observe l’aimantation notamment par des moyens optiques comme la microscopie Kerr. Elle est lauréate de la médaille de bronze 2015 du CNRS.

Physicist, and CNRS research assistant in the Nanostructures & Quantum Systems team at INSP, Laura Thevenard explores various routes  to switch the magnetization of magnetic layers of GaMnAs.  Gallium Arsenide doped with Manganese is  used as a test-bench to one day elaborate a wonder material that would be both semi-conducting and magnetic. It would then be capable of implementing the two main functions of a computer: calculations and data storage. She obtains these displacements, made on nanometric layers, by surface acoustic waves, and observes the magnetization using optical means such as Kerr microscopy. She has been awarded the CNRS bronze medal in 2015.