20 juillet 2017

Plongée dans un aimant

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Première visualisation 3D de structures magnétiques internes

Les aimants sont utilisés dans des moteurs, pour la production d'énergie et le stockage de données. De fait, une meilleure compréhension des propriétés fondamentales des matériaux magnétiques pourrait avoir une influence importante sur nos technologies et donc sur notre quotidien. Une étude de chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI, de l'ETH Zurich et de l'Université de Glasgow a le potentiel d'améliorer cette compréhension: ces chercheurs ont en effet réussi une première, à savoir visualiser en 3D les directions de l'aimantation dans un matériau plus épais que tous ceux étudiés jusqu'ici, et à un niveau de détail de l'ordre du dixième de millième de millimètre (100 nanomètres). Ils ont ainsi réussi à reproduire l'agencement tridimensionnel des moments magnétiques. Ces derniers peuvent être comparés à de minuscules aiguilles de boussole magnétiques qui, dans leur totalité, forment la structure magnétique du matériau. Les chercheurs ont pu opérer cette visualisation au cœur d'un aimant de gadolinium-cobalt au moyen d'une nouvelle technologie d'imagerie expérimentale développée au PSI: la tomographie magnétique à rayons X durs. Le résultat a révélé un fascinant enchevêtrement de motifs et aussi la présence, au cœur de ce dernier, de ce qu'on appelle des points de Bloch. Au niveau d'un point de Bloch, les aiguilles magnétiques changent brusquement de direction. Les points de Bloch ont été prédits au niveau théorique en 1965, mais c'est seulement avec ces nouvelles mesures que l'on a réussi à les observer directement. Les chercheurs ont publié leur étude dans la prestigieuse revue scientifique Nature.

Un groupe de chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI, de l'ETH Zurich et de l'Université de Glasgow a réussi une première, à savoir visualiser à l'échelle nanométrique la structure magnétique d'un petit objet tridimensionnel. La structure magnétique est l'agencement commun des moments magnétiques; chaque moment magnétique peut être comparé à une minuscule aiguille de boussole magnétique. L'objet étudié était un aimant cylindrique de gadolinium-cobalt – un matériau ferromagnétique – et mesurait quelques micromètres (millièmes de millimètre). Les chercheurs sont parvenus à visualiser au cœur de l'objet les fins motifs magnétiques et ce au dixième de millième de millimètre près; en d'autres termes, les plus petits détails visibles de cette représentation 3D mesuraient environ 100 nanomètres. L'imagerie a été obtenue avec une technologie ultramoderne, la tomographie magnétique à rayons X durs. Cette nouvelle technologie a été développée au PSI, précisément dans le cadre de cette étude.

Jusqu'ici, on n'arrivait à visualiser des détails aussi minuscules des structures magnétiques que sur des films minces ou à la surface de certains objets, explique Laura Heyderman, directrice de l'étude, chercheuse au PSI et professeure à l'ETH Zurich. Nos images, en revanche, permettent véritablement de plonger dans le matériau magnétique: nous voyons et nous comprenons l'agencement tridimensionnel des minuscules aiguilles de boussole magnétiques. Ces toute petites aiguilles réagissent les unes aux autres et ne sont donc pas agencées au hasard, mais forment des motifs bien particuliers qui structurent l'objet magnétique tout entier.

Visualisation de structures magnétiques fondamentales avec des points de Bloch visibles pour la première fois

Les chercheurs n'ont pas tardé à remarquer que le motif magnétique était composé de structures magnétiques fondamentales enchevêtrées les unes dans les autres: ils ont identifié des domaines magnétiques, c'est-à-dire des régions où l'orientation magnétique est la même, ainsi que des parois de domaines qui séparent ces derniers les uns des autres. Par ailleurs, les scientifiques ont observé des tourbillons magnétiques, dont la forme s'apparentait à celle d'une tornade. Une fois assemblées, toutes ces structures formaient un motif unique et complexe. Découvrir ces structures fondamentales connues s'assembler pour composer un réseau complexe et tridimensionnel, c'était vraiment beau et impressionnant, raconte Claire Donnelly, première auteure de l'étude.

Un type de structure exceptionnelle est ressorti et a ajouté encore un intérêt supplémentaire aux résultats: une série de singularités magnétiques appelées points de Bloch. Les points de Bloch contiennent un domaine infiniment petit où les aiguilles de boussole changent brusquement de direction. Les singularités de toute sorte fascinent les chercheurs de toutes les disciplines scientifiques possibles; exemple bien connu: les trous noirs dans l'espace. Dans les matériaux ferromagnétiques, l'aimantation peut être considérée comme constante, ce qui veut dire qu'à l'échelle du nanomètre, il ne se produit pas de changement soudain. Or au niveau de ces singularités, la règle ne vaut plus, explique Sebastian Gliga de l'Université de Glasgow, actuellement chercheur invité au PSI. Les points de Bloch représentent des monopôles de l'aimantation et même si leur existence est prédite depuis plus de 60 ans, avant cette étude, on n'avait jamais réussi à les observer directement.

Tomographie magnétique à rayons X: une visualisation 3D avec une résolution à l'échelle nanométrique

La technologie expérimentale de tomographie magnétique à rayons X appliquée dans cette étude est basée sur un principe fondamental de la tomographie assistée par ordinateur (tomodensitométrie, scanographie ou CT-scan). Comme dans le cas du CT-scan médical, on réalise un nombre important de radiographies successives de l'échantillon à partir de directions chaque fois légèrement différentes. Les mesures de cette étude ont été conduites à la ligne de faisceau cSAXS de la Source de Lumière Suisse (SLS) au PSI. Un module de mesure ultramoderne pour la nanotomographie à rayons X du projet OMNY, couplé à une technologie d'imagerie récemment développée et appelée ptychographie, a permis la réalisation des expériences. Sur la base des données recueillies par ce biais, les chercheurs ont développé une carte en 3D de la l'aimantation au moyen de calculs informatiques et d'un algorithme de reconstruction novateur développé au PSI.

Les chercheurs ont utilisé des rayons X dits durs à la SLS du PSI. Comparés aux rayons X mous, les rayons X durs ont une plus haute énergie: Les rayons X mous à basse énergie ont été utilisés avec beaucoup de succès par le passé pour obtenir des cartes similaires des moments magnétiques, explique Claire Donnelly. Mais les rayons X mous pénètrent à peine dans ce genre d'échantillon. De fait, ils permettent uniquement de visualiser l'aimantation d'une couche mince ou de la surface d'un objet. Pour véritablement plonger à l'intérieur de leur aimant, les chercheurs du PSI ont donc choisi les rayons X durs. Même si ces derniers présentent un inconvénient: une puissance de signal plus faible. Avant, ceux qui imaginaient qu'il serait possible de réaliser une imagerie magnétique 3D avec des rayons X durs n'étaient pas nombreux, se souvient Laura Heyderman.

Des aimants sur mesure pour le futur

Les chercheurs considèrent ce qu'ils ont accompli comme une contribution à une meilleure compréhension des propriétés fondamentales des matériaux magnétiques. Au-delà, leur nouvelle méthode qui permet de visualiser l'intérieur des aimants pourrait largement influencer nombre de technologies actuelles: les aimants sont en effet utilisés dans les moteurs, pour la production d'énergie et le stockage de données. Un jour, grâce à la méthode présentée, il sera probablement possible de produire des aimants sur mesure, ce qui devrait améliorer nombre d'applications quotidiennes.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann

A propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grands instruments de recherche complexes qu'il met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, ce qui fait de lui le plus grand institut de recherche de Suisse. Son budget annuel est d'environ CHF 380 millions. Le PSI fait partie du Domaine des EPF, tout comme l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).
(Last updated in May 2017)
Informations complémentaires
Contact
Claire Donnelly
Laboratoire d'expériences matériaux multi-échelle
Institut Paul Scherrer, 5232 Villigen PSI, Suisse
Téléphone: +41 56 310 30 94, e-mail: claire.donnelly@psi.ch [anglais]

Laura Heyderman
Responsable du Laboratoire d'expériences matériaux multi-échelle
Institut Paul Scherrer, 5232 Villigen PSI, Suisse
Téléphone: +41 56 310 26 13, e-mail: laura.heyderman@psi.ch [allemand, anglais, français]
Publication originale
Three-dimensional magnetization structures revealed with X-ray vector nanotomography
Claire Donnelly, Manuel Guizar-Sicairos, Valerio Scagnoli, Sebastian Gliga, Mirko Holler, Jörg Raabe, Laura J. Heyderman
Nature 20 juillet 2017
DOI: 10.1038/nature23006