Notre travail a déjà donné lieu à plusieurs publications.

Textures antiferromagnétiques dans BiFeO3 contrôlées par la contrainte et le champ électrique

Haykal et al, Nature Communications 11, 1704 (2020)

Les films minces antiferromagnétiques génèrent actuellement un engouement considérable pour la magnonique à faible dissipation et la spintronique. Cependant, tandis que les textures antiferromagnétiques ajustables sont un élément essentiel des dispositifs fonctionnels, elles sont pratiquement inconnues à l'échelle submicrométrique. Nous imageons ici une large variété de textures de spin antiferromagnétiques des films minces multiferroïques de BiFeO3 qui peuvent être ajustés grâce à la contrainte et manipulées par des champs électriques grâce au couplage magnétoélectrique à température ambiante. En utilisant la microscopie à force piezoélectrique et la magnétométrie NV sur des motifs ferroélectriques auto-organisés de BiFeO3, nous montrons comment la contrainte stabilise différents types d'états magnétiques non-colinéaires (similaires l'état dans les cristaux massifs ou des cycloïdes exotiques) ainsi que des textures antiferromagnétiques colinéaires. Au-delà de ces observations à l'échelle locale, des mesures de diffraction de rayons X élastique résonante confirment l'existence des deux types de cycloïdes. Finalement, nous démontrons que le contrôle par champ électrique du paysage ferroélectrique induit des transitions ou bien entre états colinéaires et non-colinéaires ou bien entre différentes cycloïdes, ce qui ouvre des perspectives pour la conception de textures de spin antiferromagnétiques reconfigurables à la demande.

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Skyrmions à température ambiante et en champ nul dans des films ultraminces grâce à l'exchange bias

Gaurav Rana et al, Physical Review Applied 13, 044079 (2020)

Nous démontrons que des skyrmions magnétiques avec un diamètre moyen d'environ 60 m peuvent être stabilisés à température ambiante et en l'absence de champ magnétique externe dans une multicouche Pt/Co/Ni80Fe20/Ir20Mn80 présentant un couplage d'exchange bias. Cette stabilisation est atteinte grâce à une optimisation avancée de la composition de la multicouche afin d'équilibrer les différentes énergies magnétiques qui contrôlent la taille et la stabilité des skyrmions. L'imagerie magnétique est réalisée à la fois avec de la microscopie à force magnétique et de la microscopie NV à balayage, cette dernière permettant un mesure en champ magnétique externe complètement nul. Dans de tels échantillons, nous montrons que l'exchange bias procure un immunité à la texture de spin skyrmionique vis à vis de perturbations de champ magnétique externe modérées, dans la gamme de quelques dizaines de milliteslas, ce qui est une propriété importante pour des applications comme les dispositifs de mémoires. Ces résultats établissent les multicouches avec exchange bias comme une plateforme prometteuse vers la réalisation effective de dispositifs logiques ou de stockage à base de skyrmions magnétiques.

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Imagerie de textures antiferromagnétiques non-colinéaires par relaxométrie de spin unique

Finco et al, Nature Communications 12, 767 (2021)

Les matériaux antiferromagnétiques sont des plateformes prometteuses pour la nouvelle génération de dispositifs spintroniques, grâce à leur dynamique rapide et leur grande robustesse envers les champs magnétiques parasites. Cependant, l'imagerie à l'échelle nanométrique de l'ordre magnétique dans ces matériaux sans aimantation nette reste un défi expérimental important. Nous montrons ici que des textures de spin antiferromagnétiques non-colinéaires peuvent être imagées en sondant le bruit magnétique qu'elles produisent localement par la population thermique de magnons. Dans ce but, nous réalisons des mesures entièrement optiques et à l'échelle nanométrique de relaxométrie avec un capteur quantique à balayage reposant sur un défaut azote-lacune unique (centre NV) du diamant. Le bruit magnétique est détecté grâce à une augmentation du taux de relaxation de spin du centre NV, ce qui a pour résultat une réduction globale de son signal de photoluminescence sous illumination laser continue. Comme preuve de principe, l'efficacité de la méthode est démontrée en imageant des textures de spin variées dans des couches antiferromagnétiques synthétiques, incluant des parois de domaines, des spirales de spin et des skyrmions antiferromagnétiques. Cette procédure d'imagerie pourrait être étendue à une large classe de matériaux intrinsèquement antiferromagnétiques et ouvre de nouvelles possibilités pour étudier la physique de mode localisés d'ondes de spin pour la magnonique.

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Caractérisation de l'aimantation planaire à température ambiante dans de fines paillettes de CrTe2 par magnétométrie à spin unique

Fabre et al, Physical Review Materials 5, 034008 (2021)

Nous démontrons la présence de ferromagnétisme à température ambiante avec anisotropie magnétique planaire dans des paillettes fines de l'aimant de van der Waals CrTe2. À l'aide d'imagerie magnétique quantitative avec un magnétomètre à spin unique à base de centre azote-lacune du diamant, nous déduisons une aimantation planaire à température ambiante aux alentours de M~27 kA/m pour des paillettes d'épaisseur aussi basse que 20 nm. De plus, nos mesures indiquent que l'orientation de l'aimantation n'est déterminée uniquement par l'anisotropie de forme dans des paillettes de quelques microns de CrTe2, ce qui suggère l'existence d'une anisotropie magnétocristalline non négligeable. Ces résultats font de CrTe2 un système unique dans la famille grandissante des aimants de van der Waals, en tant que seul matériau connu pour le moment offrant une aimantation planaire et une température de Curie supérieure à 300 K dans des paillettes minces.

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Étude quantitative de la réponse au bruit magnétique d'un défaut azote-lacune unique dans le diamant

Rollo et al, Physical Review B 103, 235418 (2021)

Le défaut azote-lacune (NV) du diamant est un capteur quantique efficace de signaux fluctuants aléatoirement grâce à des mesures de relaxométrie. En particulier, la relaxation de spin longitudinale du centre NV accélère en présence de bruit magnétique avec une composante spectrale à la fréquence de sa résonance électronique de spin. Nous examinons cet effet quantitativement en appliquant un bruit magnétique calibré et ajustable à un centre NV unique. Nous montrons qu'une augmentation du taux de relaxation de spin longitudinale se traduit par une réduction du signal de photoluminescence émis sous illumination optique continue, ce qui peut être expliqué à l'aide d'un modèle simplifié à 3 niveaux du centre NV. Ce mécanisme de réduction de la photoluminescence offre une méthode simple et exclusivement optique pour détecter du bruit magnétique à l'échelle nanométrique.

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