Nanocomposites hybrides photostrictifs-magnétiques – HYPNOSE

Dans le cadre du CE 09 – « Nanomatériaux et nanotechnologies pour les produits du futur », le Projet HYPNOSE propose de suivre une nouvelle voie dans la manipulation de l’aimantation en combinant le développement de systèmes hybrides et le contrôle par voie optique de l’aimantation. Notre approche repose sur l'élaboration de nanocomposites auto-assemblés verticalement constitués de nano-piliers magnétiques en épitaxie dans des films minces photostrictifs. Ces systèmes, qui couplent magnétisme et photostriction, seront utilisés pour contrôler l'aimantation par la lumière. Notre approche comprend l’étude des aspects dynamiques de la manipulation de l'aimantation jusqu'à des échelles de temps ultrabrèves. Le consortium rassemble des équipes avec une expertise et des moyens expérimentaux à l’état de l’art qui couvrent tous les aspects d’un projet abordant la production de nano-objets complexes, fonctionnels et auto-assemblés, dans lesquels l'échelle nanométrique joue un rôle clé pour le contrôle de l’aimantation ainsi que pour obtenir une réponse ultra-rapide.
Dans un premier temps, différents couples de matériaux seront étudiés afin d’obtenir des nanocomposites auto-assemblés verticalement présentant un fort couplage des propriétés photostrictives de la matrice et des propriétés magnétiques des nano-piliers. La déformation photo-induite de la matrice, combinée à l’épitaxie des nano-piliers, permettra d’induire des modifications d’anisotropie magnéto-élastique. Les systèmes seront élaborés par ablation laser pulsée. Les paramètres de croissance seront ajustés afin de contrôler la taille, la densité, l’épitaxie et la déformation axiale des nano-piliers dans la matrice. Après cette phase d’optimisation, deux types de systèmes plus complexes seront élaborés : des systèmes de type « exchange spring » et des systèmes adaptés pour favoriser une réorientation photo-induite de l’aimantation hors plan/dans le plan. Les propriétés photostrictives et magnétiques des systèmes seront mesurées en utilisant une palette de techniques complémentaires (diffraction, magnétométrie et magnéto-optique).
Dans un deuxième temps, la réponse dynamique des systèmes à une excitation laser impulsionnelle sera étudiée en détail. La mise en œuvre d’un ensemble de techniques pompe-sonde à l’état de l’art nous permettra de sonder la dynamique ultra-rapide des différents degrés de liberté. La dynamique de l'aimantation sera étudiée en utilisant une combinaison d'effet Kerr magnéto-optique résolu en temps et de diffusion magnétique résonnante des rayons X résolue en temps (Tr-XRMS). Pour les expériences de Tr-XRMS aux temps courts (résolution 50 fs), l’utilisation d’une source de génération d'harmoniques élevées permettra de sonder le seuil M des éléments magnétiques et l’utilisation de lasers à électrons libres émettant des rayons X (XFEL) permettra de sonder le seuil L. L’utilisation du rayonnement synchrotron, accordé aux seuils M et L des éléments magnétiques, permettra d’étudier la dynamique aux temps intermédiaires (résolution 10 ps). La dynamique ultrarapide des degrés de liberté structuraux sera suivie par diffraction des rayons X résolue en temps. Ces expériences seront menées dans les installations XFEL délivrant des impulsions de rayons X durs et au synchrotron. L’ensemble de ces expériences nous permettra de décrire les processus dynamiques à l’œuvre dans les nanocomposites photostrictifs-magnétiques et d’optimiser leur temps de réponse. Le même type de techniques sera utilisé pour étudier la réponse des systèmes de type « exchange spring » et des systèmes conçus pour la réorientation photo-induite hors plan/dans le plan de l’aimantation.
Enfin, une technique de transfert des nanocomposites sur membrane sera développée dans le cadre de ce projet, ce qui permettra d’envisager des expériences d’imagerie cohérente résolues en temps en transmission. Ceci ouvrira la voie à l’étude de la dynamique de nano-piliers uniques.