Travaux de recherche avec SwissFEL: étude des matériaux magnétiques

Le fait que nous puissions stocker des milliers de morceaux de musique sur un seul appareil qui est plus petit qu’un paquet de mouchoir et qui il y a quelques années encore auraient occupé une place considérable dans nos armoires est dû en grande partie à l’émergence de nouveaux matériaux magnétiques. En fait ce sont les caractéristiques magnétiques des matériaux qui permettent de stocker des données et de pouvoir les lire ensuite. Dans beaucoup de cas la recherche fondamentale a apporté des idées nouvelles qui ont été le support de ces avancées techniques. Et comme malgré les progrès de la miniaturisation le „leitmotiv“ reste le même „plus petit et plus rapide“ la recherche s’oriente désormais sur de nouveaux matériaux et des nouvelles caractéristiques physiques que l’on pourrait utiliser afin de mémoriser des données dans un espace encore plus petit et de les traiter encore plus rapidement. Un domaine de plus auquel SwissFEL pourra apporter une large contribution, car les impulsions des rayons X permettront également de visualiser les processus et les structures magnétiques, même des processus très rapides et des structures extrêmement petites.

Mémorisation de données avec des aimants minuscules

Les mémoires de données comme les disques durs sont probablement la forme la plus connue sous laquelle des matériaux magnétiques sont utilisés dans des équipements électroniques. Un disque dur comporte un nombre incalculable de petits champs magnétisables d’env. 40 × 40 nanometres. Chaque champ agit comme un mini-aimant qui peut être magnétisé dans une direction puis dans une autre. Les informations sont stockées dans les directions d’aimantation d’un grand nombre de ces mini-aimants. Si l’on veut mémoriser de nouvelles données il faut inverser l’aimantation d’une partie des champs – un processus qui dure 100.000 femtosecondes. Si les informations doivent être compactées au possible, chaque petit champ magnétique devra être miniaturisé au maximum. Pour obtenir une mémoire que l’on peut charger rapidement il faut un matériau dans lequel le changement de la direction d’aimantation peut être effectué lui aussi, rapidement.

Aimantation en mouvement

Les divers champs des aimants comportent eux même des aimants encore bien plus petits : les moments magnétiques atomiques, qui sont pour ainsi dire les plus petits éléments magnétiques existants. Si ces derniers sont tous orientés dans une même direction dans une zone donnée, elle est entièrement magnétisée. Les mouvements collectifs des moments magnétiques notamment ceux où un grand nombre de ces moments change de direction sont particulièrement importants pour les applications, car de tels mouvements sont déterminants, par exemple lorsque certaines parties d’un disque dur sont démagnétisées c’est à dire lorsque le contenu de la mémoire est modifié. Un exemple est celui du déplacement des Interfaces de domaines, ces dernières constituent des cloisons qui séparent les endroits comportant des moments magnétiques à orientations diverses, elles peuvent „dériver“. Ainsi les moments magnétiques se trouvant d’un côté de la „cloison“ doivent changer de direction et s’adapter à celle du champ „opposé“.

SwissFEL permettra d’observer ces processus pour la toute première fois. Il faut souligner que les impulsions des rayons X de SwissFEL on une capacité de discrimination entre les différentes formes d’aimantation du support analysé.

Stockage de données avec des tourbillons magnétiques – une technologie innovante

SwissFEL permettra d’observer non seuleument les processus tels qu’ils se présentent à l’heure actuelle mais également des processus innovants qui pourraient constituer la base de technologies du futur en matière de mémorisation des données. Là encore la disposition des moments magnétiques, c’est à dire des aimants élémentaires qui sont liés à des atomes individuels, est déterminante pour le stockage des données. La façon dont ces moments sont disposés ou la façon dont une modification du contenu de la mémoire peut changer cette disposition, peut évoluer par rapport aux techniques appliquées en ce moment.

On pourra voir par exemple comment les moments magnétiques se comportent lorsqu’on inverse leur direction, non au moyen d’aimants comme ceci est le cas à l’heure actuelle, mais au moyen d’impulsions laser ou de courants de spin. Un tel courant est constitué d’électrons dont les spins sont tous orientés en parallèle. L’utilisation de courants de spin constituent la base de la spintronique qui devrait permettre de progresser dans le domaine de la miniaturisation d’appareils électroniques.

Une autre alternative consiste à stocker des données dans des vortex magnétiques. Dans ce cas, les moments magnétiques sont positionnés dans des cercles concentriques placés sur un même plan, le moment situé exactement au centre ne sachant “décider“ dans quelle direction il doit s’orienter dépasse du plan. Etant donné qu’il a le choix entre deux directions, il serait envisageable de stocker des informations à ce niveau-là. Un tel tourbillon correspondrait à un 0 ou à 1 c’est-à-dire à la plus petite unité d’information. Et son encombrement serait bien inférieur à celui d’un domaine magnétique de disque dur actuel en outre il présenterait un comportement stable face à toute perte d’informations. L’objectif premier des recherches menées avec SwissFEL est d’observer avec précision comment le moment magnétique de l’épicentre du tourbillon modifie sa direction – une phase décisive losque d’anciennes données sont effacées et des nouvelles sont stockées.

Paul Piwnicki