3.5 Caractérisations dynamique et électrique
3.5.1 Spin pumping et effet Hall de spin
La résonance ferromagnétique (RFM) est une technique proche de la résonance
ma-gnétique nucléaire (RMN), si ce n’est qu’elle sonde les moments mama-gnétiques
électro-niques. Ces techniques de spectroscopies se basent sur un même phénomène à savoir
l’excitation électromagnétique d’une transition du système entre deux états d’énergie de
spin séparés par un champ magnétique. La séparation des deux états par un champ
magné-tique est due à l’effet Zeeman mais dans le cas d’un métal ferromagnémagné-tique, les moments
magnétiques électroniques sont fortement couplés par l’interaction d’échange qui est à
l’origine de l’ordre ferromagnétique. Cette interaction est en générale plus intense que
l’effet Zeeman, c’est donc l’aimantation totale qui va être excitée.
Deux éléments sont nécessaires pour créer un phénomène de résonance magnétique de
l’aimantation : un champ magnétique statique et un champ électromagnétique RF.
L’ab-sorption de l’onde électromagnétique par l’échantillon plongé dans le champ magnétique
se traduit par la résonance ferromagnétique. La résonance des moments magnétiques (ou
de l’aimantation) se produit lorsque la fréquence de précession de Larmor est égale à
la fréquence du champ électromagnétique oscillant. A la résonance, l’amplitude de la
précession des moments magnétiques autour du champ magnétique statique externe est
accrue et l’onde électromagnétique est absorbée.
La faible masse de l’électron qui intervient dans la précession de Larmor oblige à des
fréquences pour l’onde électromagnétique excitatrice qui sont de l’ordre du GHz, pour
des champs magnétiques de l’ordre du Tesla. L’utilisation de micro-ondes est nécessaire
ce qui a pour conséquence pratique de fixer la fréquence du champ électromagnétique
et de faire varier l’intensité du champ magnétique externe pour atteindre la résonance.
Les spectres de résonance ferromagnétique correspondent à l’évolution de l’absorption
de l’onde excitatrice (GHz) en fonction du champ magnétique externe appliqué. Pour les
matériaux ferromagnétiques, les conditions de résonance dépendent de l’orientation du
champ statique suivant l’effet du champ démagnétisant. On peut donc aussi déterminer
avec la RFM, l’anisotropie de forme et magnéto-cristalline des échantillons.
L’absorption d’un courant de spin non colinéaire par une couche ferromagnétique permet
.
Figure 3.17 – Montage de détection d’un pur courant de spin injecté dans un
maté-riau non-magnétique. Il est induit par la précession de l’électrode ferromagnétique et est
détecté en utilisant l’effet Hall de spin inverse par mesure de la tension au bornes de
l’échantillon. Extrait de la référence [99]
de modifier la direction de son aimantation, il s’agit du couple de spin. Le pompage de
spin ou spin pumping est le phénomène réciproque : la modification de la direction
d’ai-mantation d’une couche ferromagnétique (par exemple en précession) entraîne l’émission
d’un courant de spin. Ce courant de spin peut ensuite être transmis dans une couche non
magnétique adjacente comme le montre le schéma 3.5.1. Dans ce schéma, σ(t)
corres-pond à la dépendance temporelle de la polarisation en spin du courant de spin induit [99].
Le pompage d’un pur courant de spin est accompagné d’une perte de moment angulaire de
l’aimantation en précession ce qui se traduit par une augmentation de l’amortissement
11.
Le courant pompé I
sN,pumpest donné avec l’équation :
I
Ns,pump= h¯
4π g
↑↓r−→m×−dm→
dt +g
↑↓i−→
dm
dt
!!
(3.1)
avec−→m et −dm→
dt