Magnétométrie par centre NV

2.3.1.1 Description de la méthode

La mesure directe du champ de fuite au-dessus de l'échantillon est utilisée pour esti-mer la structure de l'aimantation. La variation du champ magnétique dans le vide est bien connue ; en faisant une comparaison avec diérentes simulations de la structure de l'aiman-tation on peut discriminer quelle structure est observée parmis les diérentes probables. La principale diculté étant alors d'avoir un système à la fois sensible et capable d'avoir une résolution de l'ordre du nanomètre mais aussi ne perturbant pas l'aimantation. L'utilisation de diamants ayant en leur c÷ur une lacune associée avec un atome d'azote permet d'avoir ces trois conditions, le centre NV ayant une taille atomique et les sensibilités relevées sont de l'ordre de 10 µT/^√Hz [77]. Bien que le centre NV ne perturbe pas l'aimantation par un champ de fuite, le mode de lecture du champ magnétique passe par l'application de micro-onde ayant une fréquence de l'ordre de 2.8 GHz avec une amplitude de champ de l'ordre de 0.1 mT à 1 mT. Si le système comporte un mode de résonance autour de cette fréquence, il est alors susceptible d'être excité [78]. Le centre NV est orienté suivant l'axe

Figure 2.4  Schéma de principe d'un microscope à centre NV, avec un nanodiamant monté sur une pointe AFM (a). Un champ RF est appliqué et la variation de photolumi-nescence est enregistrée pour dierentes fréquences d'excitation (b). Image en provenance de [77].

2.3 MÉTHODES DE CARACTÉRISATION DU DMI 33 [111] du diamant. Cette méthode repose sur la lecture de l'état de spin du centre NV. Il se compose de deux électrons ayant un spin S=0 ou S = ±1. Les états S=0 et S = ±1 sont séparés d'une fréquence de 2.88 GHz alors que les états S = ±1 sont dégénérés. Le champ magnétique vient alors lever la dégénérescence des états S = ±1 par couplage de Zeeman. Le système est alors sensible à la composante du champ magnétique projeté sur l'axe [111]. Un laser vert à 532 nm vient peupler l'état S=0 qui se désexcite en émettant un photon. L'application de micro-ondes vient ensuite peupler les états S = ±1 si la fré-quence des micro-ondes correspond à la transition entre l'état S=0 et les états S = ±1. La désexcitation des états de spin S = ±1 passe par des canaux non radiatifs. Une chute de la photoluminescence est alors constatée en fonction de la fréquence des micro-ondes. A partir de la fréquence, la valeur du champ magnétique projeté du l'axe [111] est alors déduite. Si la composante du champ magnétique perpendiculaire à la direction [111] du cristal est trop forte le contraste de photoluminescence en les états S=0 et S = ±1 est perdu.

Cela restreint en pratique la technique aux mesures de champ inférieur à 10 mT. Pour réaliser une cartographie de champ magnétique un diamant comportant un centre NV est alors placé à l'extrémité d'une pointe AFM puis est balayé à la surface de l'échantillon. C'est soit un nano-diamant accroché au plus proche de la pointe soit un diamant gravé pour avoir un centre NV à l'extrémité d'un nano-pilier. Dans le premier cas le centre NV se retrouve à environ 100 nm de la surface alors que dans le second cas il est à environ 10 nm de la surface. La distance du centre NV par rapport à la couche ferromagnétique est la principale limitation en termes de résolution spatiale pour pouvoir remonter à l'aiman-tation.

Dans ces systèmes l'application du laser vert n'est pas sans conséquence : avec un ux lumineux susamment intense l'échauement local provoqué par le laser peut modier le piégeage local d'une paroi de domaines et induire un déplacement de la paroi. L'augmen-tation de température due au laser est d'environ 10 K/mW [79].

2.3.1.2 Intérêt dans la mesure de l'interaction de Dzyaloshinskii-Moriya : Si l'interaction DM est susamment forte, elle peut provoquer l'instabilité des parois de domaines et on peut alors la relier à la densité de domaines. En pratique, dans la plupart des lms la DMI n'est pas susante pour induire une instabilité des parois de domaines. Il est par contre intéressant de quantier le DMI à la fois en signe et en intensité, surtout pour les faibles valeurs de DMI pour la manipulation de paroi par un courant polarisé en spin.

Dans ces situations de faible DMI, la principale conséquence est la modication de la struc-ture de la paroi, d'une paroi de Bloch vers une paroi de Néel. En pratique sans interaction DM, une paroi de Bloch est stabilisée à cause du plus faible coût en énergie dipolaire de

Figure 2.5  Observation d'une paroi de domaines grâce à un microscope à centre NV (c) dans des ls ultrans de Ta/CoFeB/MgO. À partir du champ de fuite d'une paroi il est possible de remonter au type de parois de domaines (d). Image en provenance de ref. [64].

ce type de paroi par rapport à une paroi de Néel [20], qui a des charges de volumes dues à la divergence non nulle de l'aimantation. Ces charges magnétiques vont créer un champ de fuite qui peut soit s'ajouter, soit se soustraire au champ créé par la composante perpendi-culaire de l'aimantation[64], qui ne dépend pas ou peu de la structure (Bloch ou Néel). La mesure du champ de fuite alors permet de distinguer une structure de Bloch ou de Néel. Si on caractérise la structure de la paroi on peut en déduire la valeur de la constante de DM. Au-delà de la transition Bloch/Néel seule une information sur le signe du DMI et une borne inférieure sur |Deff| est possible. Cette méthode est donc particulièrement adaptée aux faibles valeurs de DMI [79].

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