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Retourner des aimants de taille nanométrique en utilisant un faisceau laser pour des mémoires magnétiques

C’est en étudiant des matériaux à base de terres rares réagissant à des pulses de lumière laser ultrarapides que des chercheurs de l’Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine), en collaboration avec des équipes du département Engeneering de l’université de Californie San Diego - USA et du Département Physics and Research Center OPTIMAS de l’université de Kaiserlautern - Allemagne, ont réussi à montrer que l’aimantation de nombreuses classes de matériaux magnétiques pouvait être contrôlée par un faisceau laser. Leurs travaux, qui intéressent déjà l’industrie des disques durs et des mémoires magnétiques, permettent de mieux comprendre l’interaction entre laser et matière magnétique, et ouvrent la voie à de nombreuses applications.

Retourner des aimants de taille nanométrique en utilisant un faisceau laser … L’idée peut sembler tout droit sortie d’un roman de science-fiction, mais c’est bien l’objectif que s’est fixée une collaboration scientifique regroupant des chercheurs français, américains et allemands. Bien qu’ayant été découvert en 2007, le retournement d’aimantation « tout optique » a été peu étudié durant de nombreuses années. Pourtant potentiellement révolutionnaire pour l’enregistrement magnétique, ce phénomène n’avait jusqu’alors pu être observé que pour un type de matériau très particulier : un alliage de Cobalt, de Fer et de Gadolinium pour lequel l’aimantation s’annule à une composition chimique et une température particulière appelée point de compensation.

C’est en étudiant des matériaux à base de terres rares réagissant à des pulses de lumière laser ultrarapides que les chercheurs ont pu montrer que l’aimantation de nombreuses classes de matériaux magnétiques pouvaient être contrôlée par un faisceau laser. En substituant au Gadolinium d’autres terres rares, les chercheurs ont mis en évidence ce phénomène de retournement d’aimantation dans cette nouvelle famille de composés. Ils ont également montré le rôle majeur de la compensation dans le retournement de l’aimantation par l’irradiation laser : il faut en effet se situer dans des conditions de température et de concentration en terre rare proches du point de compensation pour pouvoir observer le retournement. Pourquoi ? La question reste actuellement ouverte.

L’effet de retournement d’aimantation a ensuite être mis en évidence sur des multicouches, avec ou sans terre rare, mais où le phénomène de compensation était toujours présent (voir film). On observe sur l'image des domaines de contrastes différents. Le contraste est donné par la direction de l'aimantation (clair : l'aimantation pointe dans votre direction, sombre, l'aimantation pointe dans la direction opposée). L'expérimentateur balaie sur la surface un faisceau laser polarisé de 50 micromètres. Suivant la polarisation du laser (droite ou gauche), il est possible de retourner l'aimantation dans un sens ou un autre. On peut ainsi enregistrer de l’information sur ce media magnétique à l’endroit où le laser agit.

Même si certaines questions restent encore ouvertes, cette étude va profondément bouleverser les théories établies et apporte un tout nouvel angle de réflexion sur ce domaine de recherche. De leur côté, il est certain que les industriels du milieu de l’enregistrement magnétique ne manqueront pas de s’intéresser aux nouvelles technologies permises par cette avancée. En effet, on stocke actuellement l’information binaire sur des surfaces magnétiques en retournant des aimantations par application d’un champ magnétique. Ces travaux montrent qu’il est également possible de réaliser ces renversements par la lumière ce qui permettra de réaliser le stockage beaucoup plus rapidement.

Référence

S. Mangin, M. Gottwald, C-H. Lambert, D. Steil, V. Uhlír, L. Pang, M. Hehn, S. Alebrand, M. Cinchetti, G. Malinowski, Y. Fainman, M. Aeschlimann and E. E. Fullerton
Engineered materials for all-optical helicity-dependent magnetic switching
Nature Materials 16 février 2014 DOI: 10.1038/NMAT3864

C. Lambert, S. Mangin, B. S. D. Ch. S. Varaprasad, Y.K. Takahashi, M. Hehn, M. Cinchetti, G. Malinowski, K. Hono, Y. Fainman, M. Aesclimann. E. E. Fullerton
All-optical control of ferromagnetic thin films and nanostructures, http://arxiv.org/abs/1403.0784

Contacts chercheurs

C.H. Lambert, M. Salah, G. Malinowski, M. Hehn, S. Mangin
Equipe Nanomagnétisme et électronique de spin de l’Institut Jean Lamour - Nancy

R. Tolley, M. Gottwald, V. Uhlir, Y. Fainman, E. E. Fullerton
Engeneering department - University of California San Diego (UCSD) - USA

S. Alebrand, D. Steil, M. Cinchetti, M. Aeschlimann
Department of Physics and Research Center OPTIMAS University of Kaiserlautern- Allemagne

Stéphane Mangin, Institut Jean Lamour – Nancy
Courriel : stephane.mangin@univ-lorraine.fr
Tél. : 03 83 68 48 31

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken