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