Des chercheurs ont mesuré le champ magnétique nécessaire au retournement de l'aimantation d'une seule particule monocristalline de cobalt, minuscule aimant de 3 nanomètres (nm). Détecter le renversement de l'aimantation d'un aimant aussi petit est une performance qui a nécessité, d'une part la fabrication et l'utilisation d'une boucle supraconductrice (SQUID¹) miniature, d'autre part l'insertion d'une particule isolée de cobalt dans cette boucle. Les compétences et la collaboration des chercheurs de trois laboratoires ont été nécessaires à la réussite de cette opération de nano-métrologie magnétique : le Laboratoire Louis Néel de Grenoble² (LLN), le Département de physique des matériaux de Lyon³ et le Laboratoire de photonique et de nanostructures de Bagneux⁴. Les applications potentielles de ces études sur les nanostructures magnétiques portent sur les mémoires magnétiques à très haute densité et l'électronique de spin.

Afin d'isoler un nanocristal de cobalt, les chercheurs du Département de physique des matériaux ont fabriqué un film mince (20 nm d'épaisseur) de niobium. Ce nanofilm a été enrichi, à très faible concentration, de particules de cobalt calibrées à 3 nm grâce à une installation de production d'agrégats par vaporisation laser et de dépôt de ces agrégats avec une faible énergie. Les amas sont essentiellement constitués de monocristaux de taille nanométrique, ayant la forme d'octaèdres tronqués, avec des facettes bien définies.

Surface du champ magnétique de retournement d'un agrégat de cobalt de 3 nm de diamètre environ (a1000 atomes) mesurée par la technique micro-SQUID.

Par ailleurs, les chercheurs du Laboratoire de photonique et de nanostructures de Bagneux ont réalisé, par des techniques de fabrication utilisant la lithographie électronique, une boucle micro-SQUID de taille inférieure au micron avec deux ponts étroits (jonctions Josephson⁵) d'une largeur égale à 50 nm. La sensibilité de ces micro-SQUID a atteint un niveau record en 2000, avec un seuil de détection de seulement quelques centaines d'atomes, soit entre 2 et 3 nm3 de cobalt. À titre de comparaison, en 1997 il fallait encore au moins 100 000 atomes de cobalt pour obtenir un signal détectable.

Les chercheurs du Laboratoire Louis Néel sont alors intervenus pour mesurer l'aimantation du nanocristal. Lorsque la particule de cobalt se trouve dans la boucle SQUID au niveau du micropont, le renversement de son aimantation est détectable car il provoque la transition de l'état supraconducteur à l'état normal du métal de la boucle. Le comportement de l'aimantation pour des températures variées et des orientations réglables du champ magnétique appliqué par rapport aux axes du nanocristal de cobalt a ainsi pu être mesuré pour la première fois. Cette étude constitue une vérification remarquable de la théorie du micromagnétisme, en particulier du modèle de Stoner et Wohlfarth et de celui de Néel développés en 1948. Dans ces modèles, l'aimantation d'une particule a deux positions d'équilibre qui sont séparées par une barrière d'énergie, et l'aimantation peut passer d'un état à l'autre par application d'un champ magnétique et par activation thermique. Cependant, la validité de ce modèle très utilisé en magnétisme n'était pas encore vérifiée sur une nanoparticule magnétique isolée.

Référence :