Stage M2 : Systèmes modèles épitaxiés pour le déplacement de parois magnétiques par injection de courant polarisé

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Description du sujet

L’aimantation de domaines magnétiques est utilisée pour stocker l’information dans un disque dur ou dans une mémoire RAM magnétique (MRAM, prototypes en émergence sur le marché). Traditionnellement cette information est renversée (passage d’un bit « 0 » à un bit « 1 ») par l’application d’un champ magnétique. Ainsi, un électro-aimant nanolithographié constitue le cœur d’une tête d’écriture de disque dur, et ce sont des amenées de courant qui fournissent un champ (Oersted) dans les MRAM. La proposition d’utiliser des parois magnétiques dans des bandes pour stocker l’information, et la démonstration de leur déplacement par injection d’un courant électrique par ’transfert de spin’, ont déclenché de nombreuses études.

Exemple des procédés de lithographie développés et des moyens d’imagerie magnétique disponibles : lignes de 300nm de largeur d’hétéro-couches CoO/Co/Cu/FeNi à aimantation planaire, reliées chacune à un réservoir (carré) de parois magnétiques. Le ton de gris code la direction d’aimantation, vers le bas ou le haut de l’image Nous proposons d’aborder ce sujet en utilisant des systèmes épitaxiés (monocristallins). En manipulant de façon contrôlée certains paramètres tels que l’anisotropie magnétique, nous pourrons ainsi varier la direction de l’aimantation, la largeur et la forme des parois. Ceci est crucial car les premiers résultats montrent que la vitesse de propagation des parois et le courant nécessaire pour les faire propager dépendent fortement de leur largeur et structure interne. La description théorique de ce phénomène reste pour le moment incomplète. Les échantillons habituels (polycristallins, en matériau doux) ne permettent pas de résoudre les questions ouvertes. L’étudiant sera impliqué dans le dépôt de nouveaux systèmes épitaxiaux à forte anisotropie planaire. Il étudiera ensuite la propagation de parois dans ces systèmes, par des mesures de microscopie magnéto-optique. En fin de stage l’étudiant se familiarisera avec les techniques de lithographie DUV et électronique pour la fabrication de nanocircuits magnétiques.

Dans le cadre d’une thèse qui pourrait faire suite à ce stage, le contrôle de la largeur de paroi serait recherché en ajustant par épitaxie la force de l’anisotropie magnétique, dans des systèmes à anisotropie perpendiculaire ou planaire transverse aux bandes. Des mesures magnétiques de haute résolution et avec résolution temporelle sur synchrotron compléteraient les mesures de laboratoire. A noter que ce sujet figure dans la liste des sujets de thèse prioritaires de l’école doctorale de physique de Grenoble (voir sujet n°7 dans l’Institut Néel : Propagation de parois magnétiques de géométrie modulable).

Vue d’une partie des chambres ultra-vide d’épitaxie métal par dépôt laser pulsé

Exemple des procédés de lithographie développés et des moyens d’imagerie magnétique disponibles : lignes de 300nm de largeur d’hétéro-couches CoO/Co/Cu/FeNi à aimantation planaire, reliées chacune à un réservoir (carré) de parois magnétiques. Le ton de gris code la direction d’aimantation, vers le bas ou le haut de l’image

Moyens et expertise disponibles

  • Croissance : Bâti d’épitaxie par dépôt laser pulsé de métaux (DLP) sous ultra-vide (UHV). Moyens de préparation et caractérisations in situ (STM, RHEED, Auger).
  • Lithographie : Accès à la plateforme de nanofabrication Nanofab. Expérience existante de fabrication de nanocircuits magnétiques pour la propagation de parois (Deep UV, e-beam).
  • Magnétisme : Magnétométrie Squid, instrumentation magnéto-optique (magnétomètre et microscopie sub-micrométrique), Microscopie à force magnétique (MFM), microscopie de haute résolution (20nm) XMCD-PEEM sur synchrotron (implication du groupe MNM dans l’instrumentation nationale, synchrotron Soleil), imagerie résolue en temps.
  • Simulations : soutien assuré en simulations micromagnétiques dans le groupe et en collaboration.

Collaborations

  • Autres laboratoires de nanomagnétisme grenoblois, notamment Spintec et CEA/DRFMC/SP2M/NM
  • Synchrotron Soleil
  • Ce travail est accompagné par un projet de l’Agence National de la Recherche qui vient d’être accepté pour trois ans, coordonné par le groupe MNM, et regroupant cinq laboratoires français majeurs dans le domaine.

Compétences

Une formation sérieuse en physique de la matière condensée ainsi qu’un goût prononcé pour l’expérimentation sont souhaités.

Poursuite en thèse

Souhaitée. A noter que ce sujet figure dans la liste des sujets de thèse prioritaires de l’école doctorale de physique de Grenoble (voir sujet n°7 dans l’Institut Néel : Propagation de parois magnétiques de géométrie modulable).

Encadrement et formation

  • Le stage ainsi qu’une éventuelle thèse seraient encadrés par Olivier Fruchart pour les parties épitaxie/imagerie magnétique et co-encadré par Jan Vogel pour les parties lithographie/imagerie magnétique/dynamique d’aimantation. Une forte interaction existera également avec d’autres membres du groupe.
  • La communauté française du nanomagnétisme et de l’électronique de spin est fortement structurée, et offre de nombreuses opportunités de formations et colloques aux doctorants. Citons notamment l’école européenne de magnétisme ESM organisée par l’Institut Néel et dans laquelle le groupe est fortement impliqué, des cours d’école doctorale (nanomagnétisme) régulièrement assurés par le groupe, le colloque Louis Néel, ayant lieu tous les dix-huit mois et structurant la communauté (ex : 2008).

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