Un microscope de champ magnétique basé sur le défaut azote-lacune du diamant : réalisation et application à l'étude de couches ferromagnétiques ultraminces

par Jean-Philippe Tetienne

Thèse de doctorat en Sciences physiques

Sous la direction de Jean-François Roch.

Soutenue le 13-11-2014

à Cachan, Ecole normale supérieure , dans le cadre de École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec Laboratoire Aimé Cotton / LAC (laboratoire) .

Le président du jury était Albert Fert.

Le jury était composé de Claude Fermon, Vincent Repain, Vincent Jacques.

Les rapporteurs étaient Russell Cowburn, Jean-Jacques Greffet.


  • Résumé

    La capacité à cartographier le champ magnétique à l'échelle nanométrique serait un atout crucial pour étudier les propriétés magnétiques des solides ainsi que certains phénomènes de transport, mais aussi pour des études fondamentales en biologie. Cette thèse porte sur la réalisation d'un microscope de champ magnétique d'un genre nouveau, qui promet une résolution spatiale de quelques nanomètres, une sensibilité de l'ordre du nanotesla, et fonctionne aux conditions ambiantes. Ce microscope est basé sur le défaut azote-lacune du diamant, dont les propriétés quantiques peuvent être exploitées pour en faire un magnétomètre ultrasensible de taille atomique. Dans un premier temps, nous présenterons le fonctionnement et la réalisation du microscope à défaut azote-lacune, qui consiste essentiellement en un microscope à force atomique sur la pointe duquel un nanocristal de diamant est attaché. Nous testerons le microscope en imageant le champ de fuite généré par un cœur de vortex dans un microdisque ferromagnétique. Dans un second temps, nous appliquerons le microscope à l'étude de couches ferromagnétiques ultraminces. Ces systèmes présentent un intérêt à la fois fondamental, les effets d'interfaces restant encore largement inexplorés à ce jour, et technologique, puisqu'ils sont à la base de propositions pour la réalisation de nouvelles mémoires magnétiques à basse consommation d'énergie. Nous étudierons d'abord la nature des parois de domaines dans ces couches ultraminces, ce qui nous permettra de révéler l'existence d'une interaction Dzyaloshinskii-Moriya d'origine interfaciale dans certains échantillons. Nous étudierons ensuite les sauts nanométriques d'une paroi de domaine induits par l'agitation thermique. Nous démontrerons en particulier le contrôle de ces sauts par un laser, ce qui nous permettra de visualiser et explorer le paysage énergétique de la paroi.

  • Titre traduit

    A magnetic field microscope based on the nitrogen-vacancy defect in diamond : realisation and application to the study of ultrathin ferromagnets


  • Résumé

    The ability to map the magnetic field at the nanometer scale would be a crucial advance to study the magnetic properties of solids as well as some transport phenomena, but also for fundamental studies in biology. This thesis deals with the realisation of a magnetic field microscope of a new kind, which promises a spatial resolution down to a few nanometres, a sensitivity of the order of a few nanoteslas, and operates under ambient conditions. This microscope is based on the nitrogen-vacancy defect in diamond, whose quantum properties can be harnessed to make an ultrasensitive, atomic-size magnetometre. In the first part, we will present the basic principles and the realisation of the nitrogen-vacancy defect microscope, which consists essentially in an atomic force microscope on the tip of which a diamond nanocrystal is grafted. We will test the microscope by imaging the stray field generated by a vortex core in a ferromagnetic microdisk. In the second part, we will apply the microscope to the study of ultrathin ferromagnets. These systems are interesting both from the physical point of view, as interface effects have been little explored so far, and for technology, as they are the cornerstone of several proposals for realising novel magnetic memory devices with low energy consumption. We will first study the nature of domain walls in these ultrathin ferromagnets, which will enable us to reveal the existence of an interface-related Dzyaloshinskii-Moriya interaction in some samples. Next, we will study the nanometric jumps of a domain wall induced by thermal fluctuations. In particular, we will demonstrate control over these jumps using a laser, which will allow us to visualise and explore the wall's energy landscape.


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