Projet ANR-12-JS10-0008 – NASSICS : Nano-structuration pour la dynamique de spin
Programme : JCJC - SIMI 10 - Nanosciences (JCJC SIMI 10)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Nicolas BIZIERE (Centre d'Elaboration des Matériaux et d'Etudes Structurales)
Partenaires : Centre d'Élaboration de Matériaux et d'Études Structurales
Montant : 239221.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Nano-structuration pour la dynamique de spinCe projet a pour but de relier les propriétés radiofréquences et les propriétés structurales et magnétiques des matériaux.
Comprendre le lien entre structure et magnétisme des matériaux.Les matériaux magnétiques sont aujourd’hui utilisés dans de très nombreux domaines industriels tels que la micro-électronique, l’informatique (ex : tête de lecture), la téléphonie mobile, les télécommunications (WIFI), l’automobile etc… En particulier, ces matériaux permettent de réduire les dimensions des composants permettant de capter les ondes électromagnétiques (comme les antennes) et sont donc particulièrement intéressants pour réduire la consommation en énergie des composants et améliorer leurs performances. Cependant, les fréquences de travail de ces  dispositifs sont de plus en plus élevées et il devient primordial de comprendre et maitriser la réponse des matériaux magnétiques soumis à des champs électromagnétiques de plusieurs GHz. Ainsi notre projet consiste à comprendre le lien entre la structure cristalline de matériaux magnétiques et leurs réponses électromagnétiques. La taille des objets que nous étudions varie de quelques dizaines de nanomètres à quelques microns, en fonction du type d’application visée (systèmes logiques, circuits radiofréquences…). L’objectif final de ce projet est de développer des dispositifs présentant de meilleures performances en termes de bande passante, perte énergétique ou vitesse de propagation des ondes, que les dispositifs actuels. Pour cela, nous cherchons à contrôler leurs structures (forme, taille, quantité de défauts, réseau etc…) et leurs états magnétiques rémanents (i.e à champ nul). 
Réponse radiofréquence de micro et nano-matériaux magnétiquesAfin de réaliser ce projet, nous développons un banc de test consistant à étudier la propagation d’ondes électromagnétiques à quelques Gigahertz dans des matériaux magnétiques dont les dimensions varient de quelques dizaines de nanomètre à quelques microns. Ces tailles correspondent aux dimensions des composants électroniques actuels. Plus particulièrement des micro-antennes sont déposées sur le matériau afin d’émettre une onde en un point donné et récupérer le signal qui s’est propagé en un autre point. Ce type de mesure permet de déterminer à la fois les vitesses de propagation de l’onde en fonction de sa fréquence mais aussi de déterminer les pertes d’énergie dans le matériau. Pour mieux comprendre ces phénomènes nous modifions la structure intrinsèque du matériau en induisant des défauts de structure en bombardant le matériau avec des ions très énergétiques (technique d’irradiation ionique) mais peu réactifs d’un point de vue chimique. Après cette étape nous étudions à la fois la modification atomique de la structure du matériau par des techniques de pointe d’imagerie par microscopie électronique et nous étudions les variations de propagation des ondes électromagnétiques afin d’en déduire le lien avec la structure.
Résumé de la soumission : Le but du projet NASSICS est d’étudier les corrélations entre la dynamique de spins et (i) les propriétés structurales et (ii) l’état magnétique rémanent de nanostructures tel que des films ultraminces, des nanofils et des nanoparticules.      Pour atteindre ces objectifs, des techniques avancées d’imagerie structurale et magnétique par microscopie électronique seront combinées à des mesures inductives micro-ondes et des mesures de magneto-transport pour l’étude de la dynamique de spins. Les propriétés structurales seront introduites dans les logiciels de modélisation micromagnétique afin d’obtenir une analyse quantitative des états magnétiques statiques et dynamiques des nanostructures. Notre but final est d’obtenir une caractérisation complète de la dynamique de spins d’une nanostructure individuelle en fonction de ses propriétés structurales et magnétiques.      Le succès de cet ambitieux projet nécessite de maitriser de nombreuses techniques expérimentales de haut niveau et ce dans différents domaines. Ce point est l'un des atouts de notre laboratoire puisqu'il est l’un des rares au monde à posséder ces différentes compétences. Le coordinateur, N. Biziere, spécialiste dans le domaine des mesures de la dynamique de spins par des techniques inductives ou électriques, a récemment rejoint le groupe “Nano Matériaux Magnétiques” du CEMES, dont les membres sont reconnus au niveau international comme experts dans le domaine de l’imagerie structurale et magnétique par microscopie électronique à l’échelle nanométrique.     Ce projet a pour but d’apporter de nouvelles perspectives dans le domaine de la dynamique de spins à l’échelle nanométrique, et les résultats obtenus seront particulièrement important pour le développement des futurs composants électroniques dans les domaines de la Spintronique et de la Magnonique utilisant la manipulation des ondes de spins.
Résultats : Les premiers résultats que nous avons obtenus ont démontré qu’en irradiant un alliage d’Heusler de composition Co2MnSi avec des ions Helium, la perte extrinsèque en énergie des ondes électromagnétiques dans le matériau augmente pratiquement linéairement avec la dose d’irradiation. Cependant en irradiant le même matériau avec des ions chimiquement réactifs tels que des ions Azote, les pertes deviennent extrêmement importantes et non linéaires même à des doses très faibles. Ce résultat est particulièrement encourageant pour comprendre le lien entre la structure physico-chimique du matériau et les pertes radiofréquences. Ceci ouvre des voies pour le contrôle des gains/pertes en énergie dans les composants en modifiant localement les propriétés magnétiques d’un matériau. 
Nous avons également étudié la structure magnétique de nanofils de Nickel cylindriques dont le diamètre varie de 50 à 80 nm.  Pour cela nous avons utilisé l’holographie électronique. Cette technique de pointe nous a permis d’observer la variation de la géométrie interne de la paroi en fonction du diamètre du fil. Ce résultat est une première dans ce type de système. De plus, il permet d’envisager désormais d’étudier la dynamique de ces parois sous l’effet d’un courant électrique par exemple.
Perspectives : Ce projet devrait avoir un impact très important dans le domaine émergent de la « Magnonique », qui consiste à développer une nouvelle électronique basée sur la propagation d’ondes électromagnétiques pour coder et transporter de l’information. En effet, en contrôlant localement la structure d’un matériau, il est possible de moduler ses propriétés magnétiques, ce qui a pour conséquence de permettre ou d’annihiler la propagation des ondes en fonction de leurs fréquences. Les cristaux magnoniques permettent ainsi d’envisager diverses applications telles que des téléphones mobiles à bande passante modulable.
Publications et brevets : Les premiers résultats que nous avons obtenus sont très prometteurs mais ne sont pas encore soumis à publication puisque ceux-ci en sont encore au stade de l’interprétation.