Equipe Spintronique et Nanomagnétisme - SPIN

Nanomagnétisme

L’équipe s’intéresse aux configurations de l'aimantation à l’échelle nanométrique et à leur impact sur les propriétés magnétiques des matériaux. Il peut s’agir :

• de couches minces,
• de multicouches,
• de super-réseaux
• de réseaux de petits objets

Les études portent sur la formation et l’évolution d’objets magnétiques divers, comme les parois de domaines, les vortex, les skyrmions ou les magnons. La réalisation de réseaux de plots permet l’étude de systèmes frustrés ou d’architectures pour le calcul bio-inspiré.
Les hétérostructures constituées de matériaux différents peuvent être fonctionnalisées pour des applications dans les domaines de l’impression magnétique, les capteurs, les mémoires, le stockage de l’information etc.

Projets :

• Miracle-Q (PEPR Quantique)                     
• ACOUSKYR, 2025-29 (PEPR SPIN)             
• MASKY, 2025-29 (PEPR DIADEM)                  
• QMart, 2025-26 (Heriot-Watt University, Edimbourg)                
• METACHARGE, 2026-2030 (ANR)               

Thèses soutenues :

• Boris Seng (2018-2021)
• Danny Gweha (2019-2022)
• Maxime Verges (2020-2023)

Post-doctorants :

• Thi Thanh Huyen Nong 
• Maddu Ramu 
• Aleena Joseph

Collaborations :

• Christian-Albrechts Universitat- Kiel

• Johannes Gutenberg Universitat- Mainz

• Heriot-Watt University, Edimbourg   

• C12

• NPTU

Publications :

• A tunable magnetic metamaterial based on the dipolar four-state Potts model, Nature Materials, 17, 1076 (2018), D. Louis, D. Lacour, M.Hehn, V. Lomakin, T. Hauet and F. Montaigne.
• High Sensitivity SAW Magnetic Field Sensor based on a Co40Fe40B20 Bilayer, P. Mengue, Othmane Marbouh, Y. Yang, S. Petit-Watelot, L. Badie, S. Zhgoon, S. Hage-Ali, M. Hehn, A. Talbi, O. Elmazria, IEEE Sensors Journal, 2025, 26 (2), pp.1871 - 1879.
• Direct Imaging of Chiral Domain Walls and Néel-Type Skyrmionium in Ferrimagnetic Alloys, Boris Seng, Daniel Schönke, Javier Yeste, Robert M. Reeve, Nico Kerber, Daniel Lacour, Jean-Loïs Bello, Nicolas Bergeard, Fabian Kammerbauer, Mona Bhukta, Tom Ferté, Christine Boeglin, Florin Radu, Radu Abrudan, Torsten Kachel, Stéphane Mangin, Michel Hehn, Mathias Kläui, Advanced functional materials 31, 2102307 (2021) 
• Nanoscale Magnetic Texture Induced by Exchange Bias: Insights from NV Magnetometry,Léo L. Petitdemange, Sébastien Geiskopf, Grégory Malinowski, Mariana Fino Caseiro, Myriam Pannetier-Lecoeur, Martin Bowen, Michel Hehn, Daniel Lacour, Nano Letters, 2026.
   
   

Croissance et design de matériaux

Cette thématique rassemble les nouvelles stratégies de synthèse, de design et d’étude des propriétés de nouveaux matériaux. L’équipe s’intéresse notamment aux interactions spin-orbite-charge et à la relation structure-propriétés. Ces approches permettent de façonner les propriétés physiques, faire émerger de nouvelles fonctionnalités et combiner/coupler plusieurs propriétés entre elles dans le cas de matériaux multifonctionnels, tels que :

• multiferroïsme,
• demi-métaux magnétiques à gap de spin,
• isolants topologiques

Thèses soutenues :

• Victor Palin (2019-2022)                               

• Hangtian Wang (2020-2023)        

• Corentin Pfaff (2021-2024)         

• Mariam Martirosyan (2022-2025)    

Post-doctorants :

• Claudia De Melo Sanchez 
• Adrian Alberto Benedit Cardenas 
• Wei Zhang 
• Alexis Wartelle

Projets :

• MAGNETALLIEN, 2024-2029 (ERC)               

• SPINMAT (PEPR SPIN)                  

• ENTROPITAX, 2025-2029 (ANR)      

• SUPERSPIN, 2025-2028 (PEPR SPIN)                 

Publications :

• Growth orientation and magnetic properties of GdVO 3 tailored by epitaxial strain engineering, M. Martirosyan, A. Gudima, J. Varignon, J. Ghanbaja, S. Migot, A. David, M. Guennou, Olivier Copie, Physical Review Materials, 2025, 9 (7), pp.074405.

• Strain-induced magnetic moment variations at the picosecond timescale, Corentin Pfaff, T. Pezeril, R. Arras, L. Calmels, V. Cherruault, S. Andrieu, K. Dumesnil, J. Gorchon, T. Hauet, Physical Review B, 2025, 111 (6), pp.064405.

• Epitaxial Growth of Rare-Earth High-Entropy Alloy Thin Films, Julian Ledieu, Karine Dumesnil, Mélanie Emo, Sylvie Migot, Sorour Semsari Parapari, Sašo Šturm, Primož Koželj, Vincent Fournée, ACS Nano, In press.

• Spin injection at MgB2-superconductor/ferromagnet interface, Corentin Pfaff, S. Petit-Watelot, S. Andrieu, Ludovic Pasquier, J. Ghanbaja, S. Mangin, K. Dumesnil, T. Hauet, Applied Physics Letters, 2024, 125 (10), pp.102601.

Collaborations :

• Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg

• Synchrotron Soleil

• TU Kaiserslautern

• Beihang University - Beijing

• UC San Diego

• Cambridge University

• Braunschweig University

• University of Potsdam
   

Spintronique ou Électronique de spin

En utilisant, une propriété spécifique de l’électron nommée Spin, nous découvrons on découvre des propriétés de transport électronique nouvelles.
Ces études permettent de nombreuses avancées dans la réalisation de :

• capteurs,
• oscillateurs magnétiques,
• jonctions tunnel ou vannes de spin

Depuis quelques années, l’équipe s’intéresse à l’effet de l’interaction spin-orbite sur la création de courant de spin et la dynamique de l’aimantation associée.

Projets:

• ULTIMATE-i 2021-2025 (H2020 MSCA-RISE)                   

• SPINELEC 2022-2025 (ANR)                                                   

• MAGNETALLIEN 2024-2029 (ERC)                                      

• IRONY 2025-2029  (ANR)                                                         

• GREEN-MEM 2025-2029 (M-ERA-Net)              

Thèses soutenues :

• Valentin Desbuis (2020-2023)                          

• Wei Yang (2021-2024)                                          

• Héloïse Damas (2022-2025)           

Post-doctorants :

• Julien ALLEMAN

• Jérôme Hem

• Jose Luis AMPUERO TORRES

• Alberto Anadón

• Er Liu

Publications :

• Radio-frequency-field characterization and rectification effects in spin pumping and spin-torque ferromagnetic resonance for spin-orbitronics, Melissa Yactayo, Michel Hehn, Juan-Carlos Rojas-Sanchez, Sébastien Petit-Watelot, Physical Review Applied, 2026, 25 (6), pp.064051.

• Spin-current symmetries generated by the ferrimagnet Gd-Fe-Co across its magnetization-compensation temperature, Héloïse Damas, Michel Hehn, Juan-Carlos Rojas-Sánchez, Sébastien Petit-Watelot, Physical Review Applied, 2026, 25 (6), pp.064037.

• Ultrafast Spin Accumulations Drive Magnetization Reversal in Multilayers, Harjinder Singh, Alberto Anadón, Junta Igarashi, Quentin Remy, Stéphane Mangin, Michel Hehn, Jon Gorchon, Grégory Malinowski, Physical Review Letters, 2026, 136 (5), pp.056701. ⟨10.1103/z2sz-2tdz⟩

• Giant and Anisotropic Enhancement of Spin‐Charge Conversion in Graphene‐Based Quantum System, Alberto Anadón, Armando Pezo, Iciar Arnay, Rubén Guerrero, Adrián Gudín, Alba Guio, Melissa Yactayo, Jaafar Ghanbaja, Julio Camarero, Aurelien Manchon, Sebastien Petit-Watelot, Paolo Perna, Juan‐carlos Rojas-Sánchez, Advanced Materials, 2025, 37 (13), pp.2418541. ⟨10.1002/adma.202418541⟩

• Oxygen vacancy-driven spin-transfer torque across MgO magnetic tunnel junctions, L. M. Kandpal, B. Taudul, E. Monteblanco, A. Kumar, K. Katcko, F. Schleicher, P. Gupta, S. Boukari, W. Weber, V. da Costa, J. D. Costa, T. Bӧhnert, R Ferreira, P Freitas, M Hehn, M. Alouani, P. K. Muduli, D Lacour, M. Bowen, npj Spintronics, 2025, 3, pp.2.

• Energy-efficient magnetization manipulation using picosecond current pulses, J. Gorchon, Eva Díaz, Nature Nanotechnology, 2024, 20, pp.10-11.

Collaborations :

• Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg

• Laboratoire Albert Fert

• National Tsing Hua University

• New York Universityx

• Tohoku University

• Universidad Nacional de Ingeniería (UNI), Pérou

• Universidad Nacional Mayor de San MArcos (UNMSM), Pérou

• IMDEA Nanosciencia (Spain)

• UC San Diego

• Beihang University 

• SPINTEC
   

Dynamique de l’aimantation

L’étude des propriétés magnétiques des matériaux requiert de pouvoir sonder le magnétisme à différentes échelles de temps. Une très large gamme de temps peut être couverte, de la seconde à la femto-seconde (10^-15s), ce qui permet d’étudier différentes interactions. L’évolution temporelle de la désaimantation, du renversement d’aimantation et de la précession de l’aimantation dans des couches minces magnétiques a pu être observée.

Projets en cours :

• COMRAD 2020-2024 (H2020 ITN)   

• TOAST 2023-2029  (PEPR SPIN)      

• SLAM  2024-2026 (ANR-DFG)    

• OptoSPIN Com 2025-2028 (PEPR SPIN)    

Thèses soutenues :

• Tianxun Huang (2020-2023)               

• Yi Peng (2020-2023)                       

• Jun-Xiao Lin (2021-2024)                      

• Yann Le Guen (2021-2025)       

Post-doctorants :

• Boyu Zhang 
• Jun-Xiao Lin 
• Matthias Riepp 
• Danny Gweha

Publications :

• Accelerating ultrafast magnetization reversal by non-local spin transfer, Quentin Remy, Julius Hohlfeld, Maxime Vergès, Yann Le Guen, Jon Gorchon, Grégory Malinowski, Stéphane Mangin, Michel Hehn, Nature Communications, 2023, 14 (1), pp.445.

• Optically induced ultrafast magnetization switching in ferromagnetic spin valves, Junta Igarashi, Wei Zhang, Quentin Remy, Eva Díaz, Jun-Xiao Lin, Julius Hohlfeld, Michel Hehn, Stéphane Mangin, Jon Gorchon, Grégory Malinowski, Nature Materials, 2023.

• Single‐Shot Laser‐Induced Switching of an Exchange Biased Antiferromagnet, Zongxia Guo, Junlin Wang, Grégory Malinowski, Boyu Zhang, Wei Zhang, Hangtian Wang, Chen Lyu, Yi Peng, Pierre Vallobra, Yongbing Xu, Sarah Jenkins, Roy W. Chantrell, Richard F. L. Evans, Stéphane Mangin, Weisheng Zhao, Michel Hehn, Advanced Materials, 2024, pp.2311643.

• Single-Shot Magnetization Reversal in Ferromagnetic Spin Valves via Heat Control

• Kazuaki Ishibashi, Junta Igarashi, Alberto Anadón, Michel Hehn, Yann Le Guen, Satoshi Iihama, Julius Hohlfeld, Jon Gorchon, Stéphane Mangin, Grégory Malinowski, Physical Review Letters, 2025, 135.

• Transient domain boundary drives ultrafast magnetisation reversal, Martin Hennecke, Daniel Schick, Themistoklis P H Sidiropoulos, Jun-Xiao Lin, Zongxia Guo, Grégory Malinowski, Maximilian Mattern, Lutz Ehrentraut, Martin Schmidbauer, Matthias Schnuerer, Clemens von Korff Schmising, Stéphane Mangin, Michel Hehn, Stefan Eisebitt, Nature Communications, 2025, 16, pp.8233.

• Exploring Co, Fe, and Ni Reference Layers for Single‐Pulse All‐Optical Reversal in Ferromagnetic Spin Valves; Jun Xiao Lin, Yann Le Guen, Julius Hohlfeld, Jon Gorchon, Grégory Malinowski, Stéphane Mangin, Daniel Lacour, Thomas Hauet, M. Hehn, Advanced Materials, 2026.

Collaborations:

• UCSD - San Diego

• NYU - New York

• UCB - Berkeley

• Beihang University - Beijing

• Helmolz Zentrum - Berlin

• Radboud University

• Eindhoven University

• Laboratoire de Chimie Physique – Matière et Rayonnement

• Spintec

• Aalto 

• Nanogune  San Sebastian

• Tohoku University 

• Seagate

Médiation scientifique

• L’équipe est particulièrement attachée à présenter ses travaux au grand public. L’exposition Magnétique, présentée au Palais de la découverte à Paris en 2019-2020, en est un très bel exemple >> Voir la vidéo sur YouTube
   
• L’équipe a également développé une application de réalité virtuelle immersive, Virtual D.A.U.M., visant à récréer de façon virtuelle la plateforme de Dépôt et Analyse sous Ultravide de Nanomatériaux (Tube D.A.U.M.). Le public peut ainsi s’immerger dans cet équipement de recherche unique en Europe et créer son propre capteur virtuel en suivant les étapes d’un scénario spécialement écrit à cette fin.
  Découvrir un aperçu
   

Transfert technologique 

Le magnétisme, les matériaux et les systèmes magnétiques, ont une place significative dans des marchés définis comme stratégiques par l’Europe. On peut citer les technologies de l’information et de la communication, la mobilité, la santé et l’énergie. Dans le développement de ces technologies, la miniaturisation à l’échelle nanométrique et le contrôle de nouveaux matériaux à cette échelle sont des enjeux particulièrement importants, tant par la richesse des nouveaux effets produits que par les gains en termes technologiques (efficacité énergétique, gain d’espace, multifonctionnalité, etc.).

Une partie des activités de l’équipe Spintronique et Nanomagnétisme (SPIN) est dédiée à l’innovation, et la recherche et développement. Au-delà de la prise de brevet (en collaboration avec la SATT SAYENS) ou de la publication de concepts innovants liées à ses recherches propres, l’équipe favorise les collaborations avec des acteurs privés au niveau régional (e.g. Cryoscan), Français (e.g. C12), au niveau Européen (e.g. NTN-SNR Europe) et au niveau international (e.g. Seagate). Ces collaborations peuvent se réaliser dans divers cadres contractuels :  laboratoire commun (e.g; Vinci Technologies), projets collaboratifs avec financement public (ANR ou Europe), thèse CIFRE, contrat bilatéral R&D, contrat de prestation. L’ l’Institut Jean Lamour  possède un  bureau de transfert technologique qui facilite ces contrats, éligible au Crédit Impôt Recherche (CIR). L’équipe SPIN a recu le Prix Yves Rocard 2010 et le Prix Interregional de la recherche 2018 pour ses activités recherche-innovation-développement. 

Animation scientifique

L’équipe organise de manière régulière des séminaires, des colloques et congrès internationaux (M-SNOWs, IWST, etc.).
Notamment, elle co-organise chaque année le « Davos des matériaux », un forum international qui réunit décideurs industriels, chercheurs, et décideurs publics, autour des grands enjeux dans le domaine des matériaux.
 

Mise au point de moyens d’élaboration, de caractérisation, de fonctionnalisation de nanomatériaux magnétiques

> Elaboration et caractérisation sous vide et ultravide :
De nombreuses techniques permettent d’élaborer des nanomatériaux sous ultravide :

• différentes structures cristallographiques (amorphe, polycristallin, monocristallin)
• sous différentes formes (alliages, multicouches, super-réseaux)
• avec un ordre magnétique différent (ferromagnétique, ferrimagnétique, antiferromagnétique)

Ces techniques d’élaboration ainsi que de nombreuses techniques de caractérisation sont toutes connectées sur le Tube D.A.U.M.. L’équipe développe ces équipements en s’appuyant sur les moyens et compétences du CC DAUM.

> Caractérisations magnétiques :
Grâce aux moyens et compétences du CC Magnétisme Cryogénie Optique, il est possible de sonder les propriétés magnétiques de matériaux sous diverses formes (films minces, cristaux, poudres, nanoparticules, liquides). Il est possible d’étudier les évolutions de ces propriétés en fonction de la température, du champ magnétique, et d’autres paramètres.

> Mesures de transport électrique

> Dynamique de l’aimantation :
Ces dernières années, l’équipe a développé de nombreux équipements permettant de sonder les propriétés magnétiques et de transport de nano-matériaux à différentes échelles de temps (de la seconde à la femto-seconde,10^-15 s) grâce à l’acquisition de plusieurs lasers femtoseconde et bancs d’optique ultra-rapide. Le développement de plusieurs bancs expérimentaux nous permet de réaliser des observations en microscopie Kerr pendant ou après excitation laser, ainsi que d’analyser la dynamique temporelle de l’aimantation (TR-MOKE) ou de la réflectivité (TDTR). De plus, l’équipe a la possibilité de générer des impulsions électriques d’une durée d’une seconde à quelques picosecondes en s’appuyant sur les mêmes systèmes lasers (à l’aide de photoswitchs).

> Microscopie magnétique :
Deux microscopes à force atomique et magnétique (AFM/MFM) et un microscope Kerr permettent de développer des méthodes de caractérisation locale de propriétés magnétiques. Pour ces trois instruments, il est possible d’appliquer un champ magnétique soit dans le plan soit perpendiculairement au plan de l’échantillon.

> Utilisation du rayonnement synchrotron :
L’équipe travaille régulièrement sur les lignes des synchrotrons Soleil, Electra et ESRF. Cette collaboration permet à des doctorants d’effectuer des thèses en co-tuelle entre l’Université de Lorraine et le synchrotron, en particulier dans le cadre d’un scientific agreement avec la ligne de photoémission CASSIOPEE de SOLEIL.

> Micro et nanofabrication :
Le cœur de l’activité en micro et nanofabrication réside dans la réalisation de nanostructures magnétiques et de nombreux dispositifs tels que les jonctions tunnel magnétiques. La réduction des tailles latérales des objets étudiés et/ou l’augmentation des fonctionnalités (par exemple, par ajout de contacts électriques) sont possibles grâce aux techniques de micro et nano-fabrication (lithographie optique et électronique, gravure, dépôt, intégration, etc.). Le savoir-faire de l’équipe s'appuie sur les moyens et compétences du CC MiNalor.