Equipe Spintronique et Nanomagnétisme - SPIN

Image de microscopie électronique d’un alliage d’Heusler CoMnSi

L’équipe collabore, au sein d’un laboratoire R&D commun, avec la société Nipson Technology, leader mondial dans la conception d’imprimantes magnétiques

Schéma décrivant la possibilité d’obtenir le retournement d’aimantation d’une couche de [Co/Pt] grâce à un seul pulse laser de 50 femto-seconde (10^-15 seconde) via la génération d’un courant polarisé par la désaimantation ultra-rapide du GdFeCo

Dernières publications

Energy-efficient picosecond spin–orbit torque magnetization switching in ferro- and ferrimagnetic films
Eva Díaz, Alberto Anadón, Pablo Olleros-Rodríguez, Harjinder Singh, Héloïse Damas, Paolo Perna, Martina Morassi, Aristide Lemaître, Michel Hehn, Jon Gorchon
Nature Nanotechnology, 2024, ⟨10.1038/s41565-024-01788-x⟩
Laser induced ultrafast Gd 4f spin dynamics at the surface of amorphous CoxGd100-x ferrimagnetic alloys
M. Pacé, D. Gupta, T. Ferté, M. Riepp, G. Malinowski, Michel Hehn, F. Pressacco, M. Silly, F. Sirotti, C. Boeglin, N. Bergeard
Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 2024, 275, pp.147461. ⟨10.1016/j.elspec.2024.147461⟩
Ultra-high spin emission from antiferromagnetic FeRh
Dominik Hamara, Mara Strungaru, Jamie R. Massey, Quentin Remy, Xin Chen, Guillermo Nava Antonio, Obed Alves Santos, Michel Hehn, Richard F. L. Evans, Roy W. Chantrell, Stéphane Mangin, Caterina Ducati, Christopher H Marrows, Joseph Barker, Chiara Ciccarelli
Nature Communications, 2024, 15, pp.4958. ⟨10.1038/s41467-024-48795-z⟩

Présentation

Observer, manipuler et fonctionnaliser le magnétisme de la matière aux échelles nanométriques est le cœur de métier de l’équipe Spintronique et Nanomagnétisme.

Les objectifs sont la compréhension et la maîtrise des propriétés structurales, électroniques, magnétiques et de transport de nanostructures magnétiques de différentes dimensions :

2D : films minces, interfaces, super-réseaux
1D : fil, pistes
0D : piliers, agrégats

L’activité de recherche est à la fois fondamentale et expérimentale. L’équipe dispose des moyens et des compétences permettant l’élaboration de systèmes modèles, leur caractérisation structurale, magnétique et électrique à différentes échelles et leur évolution sous l’influence de différents stimuli (champs magnétiques, champs électriques, température, courants électriques, contrainte, impulsion laser)
Les membres de l’équipe sont particulièrement investis dans diverses réalisations au-delà du périmètre de l’équipe : Tube D.A.U.M ., outil d’élaboration et de caractérisation unique au monde, centre de micro et nanofabrication, centre de magnétisme et de nombreux autres équipements.

L’équipe est reconnue pour ses travaux de recherche fondamentale de très haut niveau. Elle développe ainsi chaque année de nombreuses et fructueuses collaborations avec les meilleurs laboratoires sur la scène internationale des domaines « de spintronique et de nanomagnétisme dans le monde. Ces fortes collaborations internationales ont permis :

La création d’un Laboratoire International Associé (LIA) en 2015 en partenariat avec le CMRR de UCSD, le CQP NYU et Paris-Saclay a permis de soutenir de nombreuses thématiques.
La mise en place de thèses en co-tuelle avec des universités reconnues mondialement :
Beihang University
National Tshing Hua University
Tohoku University
Johannes Gutenberg Mainz University

Mots-clés

Spin

Nanomagnétisme

Nanomatériaux magnétiques

Transport électronique

Dynamique de l’aimantation

Thématiques de recherche

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 :

IMAG, 2017-21 (ANR-LabCom)
CAP-MAT- 2019-22 (ICEEL / FEDER)
Bio-Ice, 2018-21 (ANR)
SONOMA - 2019-22 (FEDER)

Thèses :

Maryam Massoras (2017-2020)
Kosseila Ait-Oukaci (2017-2020)
Boris Seng (2018-2021)
Danny Gweha (2019-2022)

Post-doctorants :

Tom Ferté
Thi Thanh Huyen Nong

Collaborations :

Publications :

Intrinsic versus shape anisotropy in micro-structured magnetostrictive thin films for magnetic surface acoustic wave sensors, Smart Materials and Structures 28 (12), 12LT01(2019), H. Mishra, M. Hehn, D. Lacour, O. Elmazria, N. Tiercelin, H. Mjahed, K. Dumesnil, S. Petit-Watelot, V. Polewczyk, A. Talbi, O. Bou Matar, S. Hage-Ali
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
Creation of Magnetic Skyrmion Bubble Lattices by Ultrafast Laser in Ultrathin Films, Nano Letters 18, 7362 (2018), S. -G. Je, P. Vallobra, T. Srivastava, J. -C. Rojas-Sánchez, T. H. Pham, M. Hehn, G. Malinowski, C. Baraduc, S. Auffret, G. Gaudin, S. Mangin, H. Béa, and O. Boulle

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 :

Hamza Bouhani (2017-2020)
Asmaa Endichi(2017-2020)
Gauthier Masset (2017-2020)
Victor Palin (2019-2022)

Post-doctorants :

Claudia De Melo sanchez
Bin Hong
Wei Zhang

Projets :

FEOrgspin 2018-21 (ANR)
XMUM 2020-24 (ANR)

Publications :

Engineering Co2MnAlxSi1−x Heusler Compounds as a Model System to Correlate Spin Polarization, Intrinsic Gilbert Damping, and Ultrafast Demagnetization, Adv. Mater. 1908357 (2020), C. Guillemard, W. Zhang, G. Malinowski, C. de Melo, J. Gorchon, S. Petit-Watelot, J. Ghanbaja, S. Mangin, P. Le Fèvre, F. Bertran, and S. Andrieu
Epitaxial growth and structure of LaVO₃ and PrVO₃ thin films, Phys. Rev. Mat. 4, 064417 (2020), G. Masset, O. Copie, J. Ghanbaja, K. Dumesnil, L. Pasquier, D. Pierre, S. Andrieu,

Collaborations :

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:

Mission 2018-21 (ANR)
Toptronic 2020-23 (ANR)

Thèses :

Thai Ha Pham (2016-2020)
Xiaofei Fan (2019-2022)
Valentin Desbuis (2020-2023)

Post-doctorants :

Elodie Martin
Konstantine Katcho
Er Liu

Publications :

Spin-driven electrical power generation at room temperature, Communications Physics, 2, 116 (2019)
K. Katcko, E. Urbain, B. Taudul, F. Schleicher, J. Arabski, E. Beaurepaire, B. Vileno, D. Spor, W. Weber, D. Lacour, S. Boukari, M. Hehn, M. Alouani, J. Fransson et M. Bowen
Compared Efficiencies of Conversions between Charge and Spin Current by Spin-Orbit Interactions in Two- and Three-Dimensional Systems, Phys. Rev. Applied 11, 054049 (2019) , J.-C. Rojas-Sánchez and A. Fert
Coherent Resonant Tunneling through Double Metallic Quantum Well States, Nano. Lett. 19, 5, 3019 (2019), B Tao, CH Wan, P Tang, J Feng, H Wei, X Wang, S Andrieu, H Yang, H. Yang, M.Chshiev, X. Devaux, T.Hauet, F. Montaigne, S.Mangin, M. Hehn, D. Lacour, X. Han, Y. Lu

Collaborations :

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 :

Chipmuncs 2018-21 (ANR)
Matelas 2019-22 (ICEEL - FEDER)
PLUS 2019-22 (FEDER)
NanoTerahertz 2019-22 (Région Grand Est)

Thèses :

Philippe Scheid (2017-2020)
Kaushalya KAUSHALYA(2018-2021)
Rémy Quentin (2018-2021)
Jean Lois Bello (2018-2021)
Jiaqi Wei (2018-2021)
Tianxun Huang (2020-2023)
Maxime Vergès (2020-23)

Post-doctorants :

Fan Zhang
Boyu Zhang

Publications :

Picosecond Spin Orbit Torque Switching, Nature Electronics (2020), K Jhuria, J Hohlfeld, A Pattabi, E Martin, AYA Córdova, X Shi, RL Conte, S. Petit-Watelot, J- C. Rojas-Sanchez, G. Malinowski, S. Mangin, A. Lemaître, M. Hehn, J. Bokor, R. B Wilson, J. Gorchon
Chaos in Magnetic Nanocontact Vortex Oscillators, Physical Review Letters, 2019, 123 (14), Thibaut Devolder, Damien Rontani, Sébastien Petit-Watelot, Karim Bouzehouane, Stéphane Andrieu, Jérémy Létang, Myoung-Woo Yoo, Jean-Paul Adam, Claude Chappert, Stéphanie Girod, Vincent Cros, Marc Sciamanna, Joo-Von Kim
Single-shot multi-level all-optical magnetization switching mediated by spin-polarized hot electron transport, Advanced Materials 1804004, (2018), S. Iihama, Y. Xu, M. Deb, G. Malinowski, M. Hehn, J. Gorchon, E. E. Fullerton, S. Mangin

Collaborations:

Savoir-Faire

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

Deux Laboratoires communs ont été créés :
- Avec Vinci Technologies : développement de nouvelles enceintes sous ultravide pour l’élaboration, la caractérisation et la structuration de matériaux pour les dispositifs de demain
- Avec Nipson Technology sur l’impression magnétographique
Nombreux travaux collaboratifs avec des partenaires industriels, français ou de la « Greater Region (grandes entreprises, PME, start-up)

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 et Cryogénie, 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.