I. 2.5 “Lift-off” [V]
III.2 D´ etection de parois de domaines magn´ etiques par AMR et notion de
IV.1.1 Parois et transfert de spin
Il est bien accept´e que les parois de domaines magn´etiques peuvent ˆetre ma-nipul´ees par un champ magn´etique. La taille d’un domaine croˆıt ou d´ecroˆıt s’il est soumis `a un champ magn´etique qui lui est parall`ele ou anti-parall`ele, respectivement, synonyme d’un d´eplacement des parois le bornant. Leur comportement dynamique sous champ magn´etique a ´et´e et est toujours intensivement ´etudi´e d’abord dans des films minces puis dans des nanostructures. Diff´erents r´egimes de propagation ont ´et´e observ´es tels que le r´egime de reptation (creep), le r´egime stationnaire (steady state) ou encore le r´egime pr´ecessionnel, tous d´ependants de l’amplitude du champ appliqu´e.
D`es 1978 puis plus pr´ecis´ement en 1984, il a ´et´e pr´edit th´eoriquement puis montr´e exp´erimentalement que sous l’action d’un courant ´electrique, une paroi de domaines magn´etiques pouvait ˆetre manipul´ee de mani`ere similaire `a l’action d’un champ magn´etique. Effectivement, bien avant la d´ecouverte de son c´el`ebre effet r´eciproque (la magn´etor´esistance g´eante), Berger [50] a montr´e que lorsqu’un courant ´electrique traverse une texture d’aimantation non-uniforme telle qu’une paroi de Bloch, une force ´etait appliqu´ee sur cette derni`ere. Dans cette ´etude, il consid`ere le couplage entre les ´electrons 4s de conduction et 3d responsables du magn´etisme et fina-lement donne l’expression suivante pour la force appliqu´ee sur la paroi : F ≈ 2µ0MSµ−1i (β1ve−vw) o`u MSest l’aimantation `a saturation, µila mobilit´e intrins`eque de la paroi, ve et vw les vitesse de d´erive des ´electrons et de la paroi respectivement, et β1 un facteur repr´esentant l’efficacit´e de courant d’´electrons. Par la suite, associ´e `
a Freitas [51], Berger prouve exp´erimentalement, en utilisant la microscopie Faraday, qu’il est possible de faire avancer des parois de domaines magn´etiques `a l’aide d’un courant dans des films continus de Permalloy (Ni80Fe20) d’une ´epaisseur inf´erieure `a 100 nm. Ces travaux sont r´eellement pionniers et ont engendr´e un nouveau domaine de recherche tr`es actif : la dynamique de l’aimantation sous courant polaris´e en spin. Les connaissances dans ce domaine font un grand pas en avant avec la maˆıtrise des
techniques de nanofabrication, rendant alors possible l’´etude de la dynamique dans des syst`emes confin´es.
Vingt ans apr`es la premi`ere preuve exp´erimentale de Freitas et Berger, trois ´etudes d´emontrent le d´eplacement de parois sous courant dans des structures ayant deux dimensions submicroniques. Elles font chacune appel `a des outils exp´erimentaux diff´erents : La microscopie `a force magn´etique [52], la magn´etom´etrie Kerr [53] et les mesures de magn´etor´esistance [54, 55]. En ce qui concerne les deux derni`eres ´etudes, les auteurs mettent en ´evidence l’effet du courant continu sur une paroi de domaines. En revanche, Yamaguchi & al. appliquent des impulsions de 1, 2× 1012 A/m2 pen-dant une dur´ee allant de 500 ns `a 5 µs sur une paroi vortex, la d´epla¸cant dans un sens ou dans l’autre en fonction de la polarit´e du courant. Cela leur permet alors d’´evaluer pour la premi`ere fois une vitesse effective d´efinie comme le d´eplacement obtenu divis´e par la dur´ee de l’impulsion pour une paroi soumise au transfert de spin. La valeur report´ee ´etait de 4 m/s. La mise en ´evidence d’un d´eplacement et la mesure de vitesse de paroi sous courant ont ´et´e au d´ebut les principales motivations de nombreuses ´etudes. Cependant, les impulsions appliqu´ees ´etaient plus longues que la microseconde et les vitesses de parois tr`es faible 0.3 m/s [56] et 15 m/s [57]. En parall`ele des exp´erimentateurs, des travaux th´eoriques sont men´es pour rendre compte au mieux de cette physique. Ceux ci seront discut´es plus en d´etails dans la section suivante. Les comportements pr´edits sont alors en d´esaccord quantitatif avec les exp´eriences. En effet alors que des vitesses de l’ordre de 100 m/s devraient ˆ
etre observ´ees, les r´esultats ne d´epassent gu`ere les 20 m/s. A cette mˆeme p´eriode, un nouveau terme entre en jeu [58, 59] : le terme β. Il doit son importance au fait que le rapport β/α, avec α le coefficient d’amortissement de Gilbert, contrˆole la vitesse et par cons´equent l’amplitude du d´eplacement sous courant. Le nouveau d´efi des scientifiques devient alors l’estimation et la compr´ehension de l’origine physique de β aussi bien th´eoriquement [60, 61] qu’exp´erimentalement (voir tab IV.1). Au-jourd’hui, l’ensemble de la communaut´e est convaincue de l’existence de ce terme. Cependant, aucune exp´erience n’a encore r´eussi `a d´emontrer sans ambigu¨ıt´e de quels param`etres physiques d´ependait le terme non-adiabatique. Des ´etudes ont montr´e qu’il pouvait varier en fonction du taux de dopage comme par exemple dans l’´etude de Lepadatu et al. [62] o`u le Permalloy est dop´e avec du Vanadium (Py1−xVx) ce qui jusqu’`a 10% ne change pas le coefficient d’amortissement. Les auteurs montrent alors que β d´epend sensiblement du pourcentage de Vanadium. Ainsi, beaucoup d’´etudes donnent une valeur du rapport β/α mais aucune valeur fixe de ce rapport en fonction du mat´eriau ou de la technique de mesure ne peut ˆetre ´evalu´ee (tab IV.1). Actuel-lement, la tendance est d’aller vers des impulsions ultracourtes (6 1 ns) [63]. Des vitesses de paroi de l’ordre de 100 m/s comparables au pr´edictions th´eoriques sont alors ´evalu´ees dans des monocouches [48,64,65] et dans des vannes de spin [66,67] o`u les r´esultats semblent impliquer des effets autres que le transfert de spin dans une simple couche. Comme discut´e au paragraphe IV.3.2 , la longueur caract´eristique des impulsions [65] ainsi que les temps de mont´ee et de descente [68] sont d’une importance capitale pour la dynamique de paroi.
Tab. IV.1: R´esum´e des ´etudes portant sur un d´eplacement de paroi de domaines magn´etiques par transfert de spin et sur une valeur du rapport β/α. On rap-porte les mat´eriaux utilis´es (colonne Ech), la technique utilis´ees et la gran-deur mesur´ee (colonne Technique&Principe), la densit´e de courant mesur´ee en TA/m2 (colonne Amp), le temps caract´eristique d’application du courant (co-lonne Temps), la vitesse de paroi mesur´ee (co(co-lonne v) et enfin le rapport β/α ´evalu´e.
R´ef. Ech Technique & Principe Amp. Temps v β/α
[52] Py MFM/d´eplacement 1.2 0.5-1µs 4 n.c. [56] Py SEMPA/d´eplacement 2.2 10µs 0.3 n.c. [69] Py Kerr/d´eplacement 0.58 DC 35 0.7 [57] Py Kerr/d´eplacement 0.4 0.3-5µs 15 1 [70] Py Elec/r´esonance 0.69 3ns – 8 [48] Py Elec/d´eplacement 1.5 10ns 100 ≈ 1 [64] Py Elec/d´eplacement 1.5 100ns 110 > 1 [71] Py Rectification – RF – 2
[72] Py Elec/d´epiegeage variable 100ns – 2
[62] Py1−xVx Elec/d´epiegeage variable 100ns – 5.13− 9.7
[73] Py1−xHox XPEEM/d´eplacement ≈ 1 25µs 0.4 16
[74] Py XPEEM/transformation ≈ 1 25µs – 6= 1
[65] Py XPEEM/d´eplacement 4 3ns 130 ≈ 1
[75] GaMnAs Kerr/d´eplacement 0.012 3-18µs 22 0.5
[76] GaMnAs Kerr/d´eplacement 0.001 10µs 22 ≈ 1
[63] Pt/Co/AlOx Kerr/d´eplacement 1.8 0.8-5ns 68 –
[77] Co/Ni&Fe/Pt Elec/d´epi´egeage ≈ 0.01 10s – 0.65
[78] Pt/Co/Pt Elec/D´epi´egeage 0.6 50µs – β = 0.24
[79] Py TXM/d´eplacement 1 1ns 110 1
[80] Pt/Co/(AlOx,Pt) Elec 0.1 AC – β = 1