Imagerie magnétique : des « micro-fleurs » renforcent le champ magnétique local

Les matériaux dotés de nanostructures magnétiques offrent un large éventail d’applications potentielles. L’un de ces domaines est la « spintronique », qui utilise des dispositifs codant l’information dans des domaines magnétiques. Ces bits magnétiques peuvent être écrits, lus et effacés de manière plus économe en énergie que les bits des dispositifs à semi-conducteurs actuels. Les textures de spin et les domaines magnétiques dans ces matériaux peuvent être étudiés à l’aide de techniques d’imagerie magnétique à l’échelle nanométrique, par exemple la microscopie électronique à photoémission (PEEM), couplée à un mécanisme de détection sensible au champ magnétique. Cependant, l’observation du comportement des matériaux sous des champs magnétiques plus importants est difficile, voire impossible, car les photoélectrons émis par l’échantillon et détectés par le microscope sont fortement déviés par la force dite de Lorentz, qui apparaît en présence d’un champ magnétique. Jusqu’à présent, seuls des champs magnétiques très faibles, allant jusqu’à 30 milliteslas (mT), pouvaient être appliqués pendant l’imagerie, ce qui signifiait que seuls les systèmes ferromagnétiques doux pouvaient être étudiés, tandis que les systèmes semi-ferromagnétiques et ferromagnétiques durs restaient inaccessibles à l’imagerie en champ.

Loupe

En collaboration avec des équipes de recherche d’Espagne, de Belgique, du Royaume-Uni et de Chine, le Dr Sergio Valencia, physicien à l’HZB, a désormais mis au point une approche qui permet de surmonter cette limitation. Pour y parvenir, l’équipe a conçu de minuscules concentrateurs de flux magnétique (MFC) constitués de matériaux ferromagnétiques, dans lesquels sont intégrées les nano- ou microstructures à étudier. La géométrie des MFC ressemble à une fleur à plusieurs pétales. Cette géométrie concentre le champ magnétique appliqué dans une zone centrale où se trouve l’échantillon. Elle augmente le champ magnétique local, à l’instar de ce que fait une loupe avec la lumière du soleil.

Facteur 5

« En2025, nous avons pu démontrer que ces micro-fleurs amélioraient considérablement la sensibilité des capteurs magnétiques placés en leur centre. Aujourd’hui, dans le cadre d’une nouvelle étape, nous les avons utilisées pour amplifier localement un champ magnétique appliqué au sein d’une minuscule région où se trouve l’échantillon à étudier. Et cela fonctionne. Nous pouvons désormais visualiser des domaines magnétiques allant jusqu’à au moins 150 mT ; le champ local est donc bien supérieur à notre limite de 30 mT. Cela s’explique par le fait que ce champ est si confiné que les électrons ne subissent pratiquement aucune déviation », explique Valencia. Les MFC ont amplifié le champ magnétique local d’un facteur 5 ; théoriquement, des amplifications allant jusqu’à un facteur 30 sont possibles. « En ajustant la géométrie du MFC, nous pouvons contrôler avec précision la manière dont le champ magnétique est amplifié et l’adapter à la géométrie spécifique de l’échantillon », précise Valencia.

Essai avec deux échantillons différents

À titre de démonstration, l’équipe de Valencia a examiné deux échantillons différents de magnétite d’origine biologique à la station PEEM de BESSY II : une chaîne de nanoparticules magnétiques d’un diamètre d’environ 45 nanomètres, synthétisées naturellement par des bactéries magnétotactiques, et un fossile vieux de 60 millions d’années mesurant environ 2 micromètres. Une lumière X polarisée a été utilisée pour obtenir une sensibilité magnétique lors de l’imagerie par dichroïsme circulaire magnétique aux rayons X (XMCD-PEEM). Outre la démonstration de cette approche permettant d’augmenter localement les champs magnétiques, les expériences ont également apporté de nouvelles connaissances : dans le magnétofossile géant, l’évolution de la structure des domaines magnétiques a été observée pour la première fois.

Nouvelles perspectives sur les matériaux quantiques

Ces travaux constituent une avancée considérable pour l’imagerie magnétique par PEEM. En élargissant la plage de champs magnétiques accessible, ils multiplient le nombre d’applications et de systèmes pouvant être étudiés, tels que les nouveaux systèmes à l’échelle nanométrique présentant des transitions de phase magnétiques dépendantes du champ et de la température, la glace de spin artificielle, les nanoparticules et nanostructures magnétiques, ainsi que les dispositifs spintroniques antiferromagnétiques tels que les valves de spin et les jonctions à magnétorésistance tunnel, y compris les aimants de van der Waals en 2D. 

Il convient notamment de noter que les MFC pourraient également être utilisés pour générer localement des champs magnétiques plus puissants dans d’autres techniques de microscopie à base d’électrons, ainsi que dans des techniques où des contraintes spatiales limitent la taille des systèmes conventionnels permettant de générer des champs magnétiques. À cet égard, des techniques telles que la microscopie par transmission de rayons X, la ptychographie par rayons X et la laminographie par rayons X pourraient également bénéficier des dimensions à l’échelle micrométrique des MFC et de leur intégration directe à l’échantillon.