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Modification sous champ électrique du magnétisme de couches ultra-minces

Le fer, le cobalt et leurs alliages, matériaux magnétiques les plus communs, sont des métaux dans lesquels les électrons porteurs du magnétisme participent à la conduction électrique. Lorsqu’un tel matériau est porté à un potentiel électrique V, il se charge à la manière d’un condensateur. Du fait du lien dans ces systèmes entre électrons de conduction et magnétisme, la charge électrique induite est source d’une variation des propriétés magnétiques. Cependant, cette charge est proportionnelle à l’intensité du champ électrique E et à la surface du matériau. Si cette variation de charge est faible pour des objets microniques, elle devient observable sur des films nanométriques.

Alors que la taille des objets est réduite, la proportion d’atomes en surface augmente. Dans une couche mince de 2 nm d’épaisseur, 10 % des atomes sont distribués sur chacune des surfaces. Cette fraction n’est plus négligeable devant le nombre total d’atomes. Les alliages fer-platine (FePt) et fer-palladium (FePd) en couches ultra-minces nous sont apparus comme des systèmes de choix en vue de mettre en évidence les effets d’une variation de charge électrique sur le magnétisme de la matière. Ces alliages présentent une forte coercitivité magnétique : l’aimantation, saturée selon une direction initiale, ne se retourne selon la direction opposée que lorsque l’intensité du champ appliqué atteint la valeur dite du champ coercitif. Pour ces expériences, les échantillons étaient plongés dans un électrolyte et une différence de potentiel de l’ordre de 1V était appliquée entre l’échantillon et une contre-électrode. On sait que la chute de tension est confinée dans la double-couche dite de Helmoltz, de 1 nm environ d’épaisseur et le champ E en surface est donc de l’ordre de 109 V/m. La variation résultante de charge était de 0.05 électron/atome de surface. Pour une couche FePt de 2 nm d’épaisseur (Figure 1) une décroissance relative du champ coercitif de –4.5 % a été obtenue lorsque la tension appliquée varie entre –0.4 V et –1.0 V. La réduction de champ coercitif est bien moindre pour un échantillon de 4 nm d’épaisseur (Figure 2). Dans l’alliage FePd, la variation de champ coercitif est inférieure à celle observée dans FePt et elle est de signe contraire. Ces variations du champ coercitif ne peuvent être comparées directement à la théorie car la valeur du champ coercitif dépend de paramètres physiques extrinsèques au matériau (la taille des cristallites par exemple). Cependant, l’anisotropie magnétique étant la source fondamentale de la coercitivité, il est légitime de comparer le champ coercitif au champ d’anisotropie. Les variations observées du champ coercitif sont en accord en signe et en intensité avec les variations calculées du champ d’anisotropie.
Fig. 1 : Evolution du cycle d’hystérésis d’une couche FePt de 2 nm d’épaisseur, lorsque la tension appliquée sur l’échantillon varie de -0.4 V à -1.0 V.

Ce résultat constitue la première mise en évidence expérimentale d’une modification des propriétés magnétiques d’un métal sous champ électrique. L’objectif présent est d’identifier des systèmes présentant des transitions, induites sous E, entre deux états magnétiques différents. Des nano-systèmes pourraient être développés exploitant de tels effets, associant simplicité et efficacité énergétique.

Fig. 2 : Variation relative du champ coercitif en fonction du potentiel appliqué pour les divers échantillons étudiés.
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