Du « nano-aimant » au réseau de « nano-aimants » : stockage de l'information et mécanique quantique.

01/03/97
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Des recherches menées au Laboratoire de magnétisme Louis Néel (CNRS), à Grenoble, viennent de montrer que l'étude des propriétés physiques à basses températures de nanoparticules magnétiques isolées ou en réseau (cristal) donne accès au comportement « mésoscopique » de la matière aimantée. Ce comportement est à la lisière entre l'univers microscopique (décrit par la mécanique quantique) et l'univers macroscopique (régi par la mécanique classique). En collaboration avec d'autres équipes françaises (1), ces chercheurs ont d'une part montré un effet de mémoire magnétique dans des « nano-aimants » de cobalt, ce qui a permis de vérifier les prédictions de la mécanique classique à ces échelles. D'autre part, en collaboration avec une équipe de chimistes de l'Université de Florence (Italie), ils ont décrit un « effet tunnel magnétique » dans des réseaux cristallins de nanoparticules de manganèse. Un effet tunnel magnétique se manifeste lorsque l'aimantation de l'échantillon change de direction sans que l'énergie nécessaire à ce « retournement » ait été fournie. Ce phénomène typiquement quantique est observé sur un système macroscopique. Outre leur intérêt théorique, de tels phénomènes pourraient permettre la confection de mémoires informatiques à très grande capacité (de l'ordre de 10 à 100 gigabits/cm2). Ils pourraient aussi trouver une application dans la mise au point d'un éventuel ordinateur quantique.

Grâce à l'amélioration sensible d'une nouvelle technique de mesure du flux magnétique qui utilise, comme détecteur, un micro-SQUID (Superconductiong QUantum Interference Device), des chercheurs du Laboratoire de magnétisme Louis Néel, CNRS, à Grenoble, en collaboration avec d'autres équipes (1), ont eu accès aux propriétés statiques et dynamiques d'une nanoparticule de cobalt (Co). La technique des micro-SQUID qui avait initialement été développée en France au Centre de recherches sur les très basses températures (CNRS) à Grenoble et au Laboratoire de microstructures et de microélectronique (CNRS) à Bagneux, a été ici utilisée comme micro-capteur de flux de nanoparticules magnétiques. A grande échelle, le cobalt présente un comportement de type ferromagnétique : chaque atome possède un moment magnétique, l'ensemble de ces moments se regroupe par (micro)domaines. A l'intérieur d'un domaine, tous les moments pointent dans la même direction. En l'absence de champ magnétique extérieur, le solide est divisé en une grande quantité de ces domaines d'orientations différentes. Cela rend le matériau globalement non magnétique. En présence d'un champ magnétique, les interfaces entre domaines, ou parois, se déplacent, ce qui conduit à une rotation de l'aimantation de la particule. Pour les applications du magnétisme, telles que que les aimants permanents ou l'enregistrement magnétique, l'aimantation doit rester stable dans une direction donnée, des années durant. Afin de prévenir les retournements dans des champs trop faibles, des matériaux magnétiques tels que le cobalt, sont réduits en grains dont la taille est inférieure à celle des domaines. Ces grains ne sont alors formés que d'un seul domaine. On parle alors de particule ferromagnétique mono-domaine, et donc à une seule orientation d'aimantation. Cependant cela n'est plus vrai au cours du renversement de l'aimantation (sous l'effet d'un champ extérieur suffisamment élevé). En effet, le système étant métastable, des interfaces entre domaines peuvent facilement se créer et se déplacer au sein de la particule.
A de plus petites échelles, lorsque la particule de Co (un « nanocristal ») ne mesure plus que quelques dizaines de nanomètres de diamètre, elle peut être considérée comme l'un des plus petits éléments magnétiques possible. Avec de telles particules, la densité d'enregistrement pourrait être multipliée par 103 à 104. De plus, sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, le moment magnétique de la nanoparticule devrait se retourner sans création de paroi et avec un bruit minimum, celui dû aux fluctuations thermiques. Ces deux hypothèses, cruciales, ont été démontrées en utilisant un détecteur à micro-SQUID.
Les deux paramètres importants - l'intensité du champ magnétique à appliquer pour que le moment magnétique de la nanoparticule se retourne et le temps nécessaire pour que cela se produise - seront accessibles sous forme d'une densité de probabilité. Une série de mesures permet d'obtenir la distribution statistique de ces deux variables. La valeur la plus probable de cette distribution donne accès à la moyenne statistique de la grandeur mesurée (temps nécessaire pour le retournement ou champ extérieur de retournement) et la largeur de la distribution indique le bruit auquel est soumis le moment magnétique de la particule.
Les résultats expérimentaux obtenus, par micro-SQUID et par microscopie électronique, pour des nanoparticules ellipsoïdales de Co (ainsi que pour des nanoparticules et des nano-fils de Fe, FeCu, Ni...) d'un diamètre de l'ordre de 20 nm, à des températures variant entre 0,1 et 6 K, conduisent à plusieurs conclusions. La première est d'ordre théorique : la valeur mesurée du temps de retournement le plus probable confirme, pour la première fois, la validité du modèle classique de Louis Néel sur « les retournements de l'aimantation thermiquement activée sur une simple barrière de potentiel ». La deuxième conclusion est d'ordre expérimental : le profil de la distribution dévoile que le bruit est uniquement d'origine thermique et de nature télégraphique (ne pouvant prendre que deux valeurs), contrairement au cas des particules plus grosses (au dessus de 50 nm), pour lesquelles s'ajoutent des bruits supplémentaires. Grâce à leurs tailles, les plus petites qui soient imaginables, et à l'obtention d'un bruit minimal, de telles nanoparticules pourraient servir, dans l'avenir, comme éléments de mémoire magnétique à très hautes densités. La maîtrise de la technologie des nanoparticules et son ouverture à l'informatique permettraient ainsi de réduire la taille d'un élément de mémoire d'un facteur 100 (de quelques micromètres à quelques dizaines de nanomètres). Le gain en mémoire passerait alors 10 mégabits/cm2 à 10 ou 100 gigabits/cm2.
Cependant, la possibilité de suivre l'évolution du renversement magnétique de telles nanoparticules ouvre aussi la voie à la mise en évidence de l'effet tunnel du moment magnétique, phénomène d'ordre mésoscopique car « à cheval » entre l'échelle macroscopique et l'échelle quantique. En effet, lorsque l'on considère non plus une seule nanoparticule mais un ensemble des nanoparticules arrangées suivant une structure périodique (monocristal de nanoparticules), les ordres de grandeur des paramètres d'aimantation (par exemple le spin) donnent accès à la mesure de phénomènes quantiques à grande échelle, non encore observés.
La même équipe de chercheurs du Laboratoire de magnétisme Louis Néel, en collaboration avec une équipe de chimistes de l'Université de Florence (Italie), ont ainsi utilisé des cristaux moléculaires dont la molécule de base (l'acétate de manganèse, Mn12-ac) contient 12 atomes de manganèse. Chaque molécule du cristal possède un spin (géant) S = 10, s'étendant sur environ 1 nm. Le spin peut se retourner (passer de 10 à -10) si la nanoparticule reçoit l'énergie nécessaire, qui est de l'ordre de 60 Kelvin. Cette valeur de l'énergie est élevée car il existe une forte barrière de potentiel due à l'anisotropie du cristal. Si l'on ne fournit pas cette énergie, la théorie prévoit qu'un retournement magnétique par effet tunnel peut se produire, mais très lentement.
Or, les chercheurs ont observé que dans ce cas, des retournements très rapides s'effectuaient. En procédant à des mesures fines, ils se sont aperçus que ces retournements étaient quantifiés et avaient lieu par paliers (retournements partiels). Ce phénomène de quantification du retournement de l'aimantation était amplifié par résonance, lorsque les niveaux des états de spin de part et d'autre de la barrière de potentiel coïncidaient. Il s'agissait donc d'un effet tunnel par résonance, cette dernière pouvant être favorisée par l'application d'un champ magnétique.
Ainsi, un retournement de spin par effet tunnel quantique est obtenu dans un système complexe de taille nanométrique. Ce phénomène, jamais observé jusque-là, peut être interprété comme une superposition quantique (sur des temps très courts) d'états du spin collectif de la molécule. La nature quantique et l'échelle macroscopique à laquelle a lieu le phénomène intéressent les scientifiques qui se penchent sur la faisabilité de l'ordinateur quantique et qui en recherchent d'éventuels composants.

1 Centre de recherches sur les très basses températures (CNRS) à Grenoble, Laboratoire de microstructures et de microélectronique (CNRS) à Bagneux, ONERA à Chatillon et Ecole polytechnique à Palaiseau.

Références :

- Wernsdorfer W., Bonet Orozco E., Hasselbach K., Benoit A., Barbara B., Demoncy N., Loiseau A., Pascard H., Mailly D. ; Experiment evidence of the Néel-Brown model of magnetization reversal ; Physical Review Letters, vol. 74, p. 1791, 1997.
- Thomas L., Lionti F., Ballou R., Gatteshi D., Sessoli R., Barbara B. ; Macroscopic quantum tunnelling of magnetization in a single crystal of nanomagnets ; Nature vol. 383, pp 145-147, 1996