Aimant vectoriel à grande ouverture angulaire pour la diffusion des neutrons et des rayons X – WAVENEXT

Le projet WAVENEXT a pour objet d’étudier les phénomènes d’anisotropie magnétique dans les films épitaxiés à l’aide de deux techniques (la diffraction de neutrons et la réflectivité résonnante des X mous) donnant accès au magnétisme à l’échelle microscopique. Afin de tirer le meilleur parti de ces deux techniques très puissantes et complémentaires, un important développement expérimental est requis : pour pouvoir au mieux étudier les phénomènes d’anisotropie, il convient de disposer d’aimants vectoriels 3D (capables d’appliquer un champ magnétique dans n’importe quelle direction de l’espace). Ainsi, la direction d’application du champ et le fait de mettre l’échantillon en condition de diffraction/réflectivité peuvent être découplés, ce qui n’est pas le cas sur les appareils existants.

Le développement de tels aimants, qui n’existent pas de façon commerciale, est aujourd’hui bien avancé : nous proposons un concept innovant n’utilisant que des bobines à axe vertical pour créer un champ tridimensionnel. Un brevet a été déposé et le transfert de technologie vers la société Sigmaphi est actuellement en cours. Les deux aimants seront livrés et opérationnels en début du projet : avril 2017 pour l’aimant « neutron » (déjà commandé grâce à un financement partiel de la Région Ile de France), septembre 2018 pour la version « photon ». Trois axes scientifiques ont été définis afin d’exploiter au maximum les moyens uniques dont nous disposerons :

- L’électronique de spin antiferromagnétique. Ceci est un domaine émergent de l’électronique de spin, dans lequel il s’agit de faire jouer un rôle actif à des films antiferromagnétiques (ordonnés magnétiquement mais sans aimantation résultante) dans les dispositifs, et non plus auxiliaire comme aujourd’hui. Des effets de magnétorésistance importants ont déjà été mis en évidence récemment, mais la compréhension des phénomènes manque. Ceci est en grande partie dû au fait que les grandeurs pertinentes, notamment le paramètre d’ordre antiferromagnétique et l’aimantation de surface/interface sont difficiles à mesurer. Les deux techniques que nous utiliserons donnent un accès direct à ces grandeurs, et les aimants vectoriels nous permettront de reproduire sous faisceau de neutrons ou de rayons X mous les séquences de champ magnétiques (notamment les champs tournants) utilisés lors des expériences de magnétotransport.

- Les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire. Ceci est un enjeu fort de l’électronique de spin depuis quelques années. L’aimantation de la plupart des films minces se situe dans le plan des couches, ce qui est favorisé par l’anisotropie de forme. Toutefois, grâce à une ingénierie fine des interfaces, il est possible de faire basculer l’aimantation de couches ferromagnétiques perpendiculairement au plan des films. Ceci permet une amélioration importante des performances des dispositifs (densité de stockage, efficacité du transfert de spin,…). Toutefois, certains mécanismes physiques de ces systèmes sont encore mal compris, ce qui empêche leur optimisation. En permettant, pour la première fois, d’appliquer un champ perpendiculairement au plan des couches pendant une mesure de réflectivité, le projet WAVENEXT permettra d’accéder au profil d’aimantation de ces systèmes, souvent très complexes. La diffraction de neutrons permettra de voir comment les couches antiferromagnétiques présentes dans les systèmes sont affectées.

- Le pilotage électrique de l’anisotropie. Les deux points précédents considèrent des systèmes où l’anisotropie magnétique est une donnée. Un domaine émergent de l’électronique de spin consiste à chercher à piloter l’anisotropie par un courant où une tension électrique. Dans ce cas, on peut espérer bénéficier des avantages de chaque type d’anisotropie dans un système unique. Les deux aimants WAVE seront équipés de façon à connecter électriquement les échantillons étudiés, et donc observer sous faisceaux les modifications d’anisotropie induites.