Nouvelles FonCtiOnnalités dans des structures MAGnétiques complexes à aimantation perpendiculaire – COMAG

Le nano-magnétisme est l'un des domaines scientifiques les plus actifs, tant d’un point de vu fondamental que technologique. Le contrôle de l'ordre magnétique à l'échelle nanométrique et pour des temps caractéristiques inférieurs à la nanoseconde est un élément clé pour générer des dispositifs avec de nouvelles fonctionnalités. La connaissance approfondie des propriétés électroniques des matériaux et de leur incidence sur les performances de dispositifs est par ailleurs essentielle pour toute application future. Le projet a pour but d’étudier la manipulation de l'aimantation dans des hétérostructures magnétiques nouvelles et complexes dont l’anisotropie magnétique est perpendiculaire. Plus précisément, il vise à comprendre la dynamique de l’aimantation à l’échelle nanométrique dans des systèmes couplés, dans le but de permettre une meilleure efficacité énergétique de dispositifs issus de l’électronique de spin : oscillateurs magnétiques, mémoires magnétiques, dispositifs logiques.
Nous envisageons de tester des dispositifs avancés qui permettent :
(I) de diminuer les courants critiques de renversement de l’aimantation dans des nanocomposants à transfert de spin,
(II) de générer des oscillations magnétiques uniformes à de hautes fréquences,
(III) de manipuler de manière ultra-rapide et efficace des parois de domaines par les effets combinés de champs magnétiques, de tensions et de courants.
Ce travail implique la mise en œuvre de diverses études fondamentales concernant la manipulation et la détection de nano-objets magnétiques, l’élaboration de structures complexe intégrant des matériaux de nature différente ainsi que de nouvelles architectures de dispositifs, la caractérisation à l'échelle nanométrique, la compréhension des systèmes couplés par échange et leur réponse à un champ magnétique, à un courant et à un champ électrique. Ces objectifs ambitieux nécessitent des efforts conjugués en termes d’élaboration des matériaux, de nano-fabrication, de caractérisation des matériaux avec une résolution spatiale et temporelle optimale, de simulations micromagnétiques complexes ainsi que de compréhension théorique.
Ce projet doit donc permettre d’accéder à une compréhension fine de systèmes complexes afin d’élaborer des dispositifs aux propriétés optimisées, permettant la manipulation basse puissance de l’aimantation. Pour cela, nous développerons des approches expérimentales et micromagnétiques pour comprendre, contrôler et optimiser la dynamique de l’aimantation dans des matériaux composites. Chaque système sera optimisé afin de permettre la manipulation d’aimantation ultra-rapide pour de faibles courants critiques. Les phénomènes d’oscillations d’aimantation à l'échelle nanométrique et de mouvement de paroi de domaine seront aussi étudiés en détail. En combinant les compétences en synthèse de films minces, fabrication de dispositifs, mesures magnétiques et de transport, caractérisation et modélisation avancées, un ensemble pertinent de données sera obtenu. Il permettra de tester les modèles actuels en nano-magnétisme et de mettre en évidence des phénomènes nouveaux. Les éléments scientifiques de base seront ainsi disponibles pour envisager l’émergence de systèmes magnéto-électriques de nouvelle génération : ultra-miniaturisés, ultra-rapides et d’une grande efficacité énergétique.
Pour mener à bien ce projet, nous nous appuierons sur une étroite collaboration entre E. Fullerton et V. Lomakin aux Etats-Unis et D. Ravelosona et S. Mangin en France. Cette collaboration est maintenant bien établie et a largement démontré son efficacité (>30 publications) entre des partenaires dont les moyens et les compétences sont complémentaires. Le projet proposé permettra non seulement de renforcer l'excellence scientifique et d'étendre encore l'impact de cette collaboration, mais il fournira également d'importantes possibilités en termes d'éducation et de carrière pour les chercheurs, enseignants et étudiants des différentes institutions.