4.2 Effet d’un courant électrique sur les parois de domaines dans des nano-pistes de
4.2.2 Etude de la propagation sous courant dans une nanopiste
Pour étudier de façon systématique, à température ambiante, l’effet produit par une impulsion de courant électrique sur l’état magnétique de nos nano-pistes, nous avons préparé, sous champ magnétique, une structure en domaines dans une nanopiste, et avons injecté des impulsions de courant électrique, à champ magnétique nul. Nous avons constaté a posteriori l’effet éventuel de ces impulsions par différence d’images magnéto-optiques. Les résultats sont qualitativement les mêmes quelque soit la polarité de l’impulsion. La densité de courant moyenne dans la piste est estimée à 1, 6· 1011 A.m−2 par volt appliqué. Suivant l’amplitude en tension, U , et la durée, ∆t,
de l’impulsion de courant unique injectée, on distingue trois situations au regard de la structure en domaines dans la nanopiste (Fig. 4.3) :
• les impulsions courtes et/ou peu intenses ne modifient pas l’état magnétique de la nanopiste
(Fig. 4.3(a))
• les impulsions dont la durée et l’amplitude appartiennent à une gamme intermédiaire très
étroite provoquent une propagation des parois pré-existantes dans la piste, sans nucléation de nouveaux domaines (Fig. 4.3(b))
• les impulsions longues et/ou intenses se traduisent par l’apparition dans la piste d’une
4.2 Effet d’un courant électrique sur les parois de domaines dans des nano-pistes de Pt/Co/Pt irradié 105
Fig. 4.2 : Propagation d’une paroi de domaines sous champ magnétique dans une nano-piste (largeur ≈ 510 nm, longueur 100 µm) de Pt/Co(0,5 nm)/Pt irradié sous une dose de
4·1015He+.cm−2avec une énergie de 30 keV, à anisotropie magnétique perpendiculaire,
observée par microscopie magnéto-optique Kerr polaire. (a) Image optique de la piste. (b)-(k) Images magnéto-optiques : (b) d’un état magnétique nucléé ; (c)-(k) des états magnétiques successifs obtenus à partir de l’état (b) par application de neuf impul-sions de champ identiques successives (≈ 150 Oe, 1 µs), dont la forme typique est celle
présentée en (l). Sur ces images, les zones noires et grises correspondent aux régions respectivement renversées et restées dans leur état magnétique saturé initial. (m) Dis-tance (+/- 0,5 µm) parcourue par la paroi depuis l’état (b), en fonction du nombre d’impulsions de champ appliquées.
L’effet observé pour une impulsion donnée ne dépend que de son amplitude en tension, U , et de sa durée, ∆t, ce qui est représenté graphiquement Fig. 4.3(d) sur trois ordres de grandeur de durées d’impulsions. Des résultats qualitativement identiques ont été obtenus sur trois pistes, aux propriétés magnétiques similaires. Pour chaque durée d’impulsion, plusieurs mesures réalisées dans les mêmes conditions, ont donné des résultats qualitativement identiques. Par ailleurs, l’effet d’une impulsion donnée est qualitativement le même quelque soit le sens de circulation des électrons dans la piste. En conclusion, au vu des faits expérimentaux, nos observations ne font pas apparaître le moindre indice d’un effet de transfert de spin.
a) b) c) d) 10 100 1000 0 2 4 6 8 10 12 désaimantation situation intermédiaire
aucun effet visible
U 2
∆t = constante You et al., APL 2006
You et al., APL 2007
T e n s i o n a p p l i q u é e U ( V ) Durée t (ns)
Fig. 4.3 : Effet d’une impulsion électrique unique, à H=0 et à température ambiante, sur la struc-ture en domaines magnétiques d’une nano-piste (largeur ≈ 750 nm, longueur 130 µm).
(a)-(c) Exemples d’images magnéto-optiques de la piste avant (en haut) et après (en bas) l’application d’une impulsion électrique : en (a), l’impulsion est sans effet visible (triangles bleus sur le graphe (d)) ; en (c), elle induit un état magnétique désaimanté caractérisé par de nombreux domaines ↑ et ⇓ (triangles rouges sur le graphe (d)) ; en
(b), elle provoque la propagation des parois de domaines existant dans la piste (points verts sur le graphe (d)). Sur les images (a)-(c), les zones noires ou grises correspondent aux régions respectivement renversées (↑) ou restées dans leur état magnétique saturé
initial (⇓). (d) Type d’effet observé en fonction de l’amplitude, U, et de la durée, ∆t, de
l’impulsion de tension (représentée en échelle logarithmique). Apparaissent sous forme de traits continus les calculs issus des modèles décrits dans le texte pour discuter des effets thermiques. 0 10 20 30 40 50 60 0 50 100 150 0 50 0.0 0.2 0.4 R ( ) Durée d'impulsion t (ns) U ( V ) t (ns)
Fig. 4.4 : Augmentation de la résistance de la nanopiste entre le début et la fin de l’impulsion de courant qui la traverse pour U =9 V, en fonction de la durée de cette dernière. En insert : oscillogramme typique illustrant l’augmentation de la résistance pendant l’impulsion.
4.2 Effet d’un courant électrique sur les parois de domaines dans des nano-pistes de Pt/Co/Pt irradié 107
Nous avons dans une seconde étape montré que l’échauffement de la nanopiste par effet Joule explique qualitativement l’ensemble des effets des impulsions de courant observés sur l’état d’ai-mantation de la nanopiste. Pendant une impulsion électrique d’amplitude en tension U et de durée ∆t, l’énergie dissipée par effet Joule dans la piste de résistance R (supposée constante pendant l’impulsion) vaut :
Q = U
2
R ∆t. (4.5)
Cette énergie se répartit rapidement dans le métal constituant la piste. Elle est en partie dissipée par les larges contacts métalliques situés à ses deux extrémités (bons conducteurs de chaleur), ainsi que dans le substrat, recouvert d’une couche isolante de 500 nm de SiO2. Il semble que même les impulsions les plus courtes que nous avons testées permettent une répartition uniforme de l’énergie Q déposée pendant l’impulsion. La ligne de séparation qui apparaît entre la gamme des impulsions sans effet et celles conduisant à une désaimantation peut être ajustée avec une loi hyperbolique, sur trois ordres de grandeur de durées d’impulsions. D’après l’équation 4.5, cette courbe correspond à l’équation d’une courbe à énergie dissipée constante. Ainsi, la courbe limite doit correspondre à l’isotherme ∆T = TC− Tamb où ∆T est l’élévation de la température à la fin de l’impulsion et TC la température de Curie de nos pistes.
De manière à évaluer par une approche alternative l’élévation de température dans nos nano-pistes, nous avons mesuré la tension aux bornes d’une résistance de 50 Ω en série avec la piste (dont la résistance vaut 0.9 kΩ) pendant l’impulsion de courant. La figure 4.4 présente l’aug-mentation de la résistance de la nanopiste en fonction de la durée de l’impulsion de courant qui la traverse. L’ajustement linéaire conduit à une augmentation de résistance de 2.6 Ω.ns−1.
L’augmentation de la température dans la piste peut être directement corrélée à l’augmentation de la résistance : χ = (1/R(Tamb))(∆R/∆T ) où χ est un coefficient de température. Nous avons évalué, à partir de données figurant dans la littérature pour les matériaux massifs, un coefficient global pour la nanopiste1 et estimé la vitesse d’échauffement de la piste à environ 1,4 K.ns−1
pour une impulsion d’amplitude U ≈ 9 V. Avec cette vitesse d’échauffement, la température de
Curie, TC = 365 K, doit être atteinte en ∆t = 46 ns. Cette valeur est comparable à constatée expérimentalement pour cette gamme de tensions U (Fig. 4.3(d)) et compatible avec celle des modélisations dans des systèmes analogues [208, 209].
4.2.3 Courant polarisé dans la couche de cobalt : approche de