La magnétométrie à balayage de défaut azote-lacune et ses applications en nanomagnétisme

La spintronique propose d’utiliser non seulement la charge des électrons mais aussi leur spin afin de mettre au point des capteurs et des dispositifs de traitement et de stockage de l’information efficaces et peu énergivores. Née à la fin des années 1980 avec la découverte de la magnétorésistance géante, elle se développe désormais dans de nombreuses directions, avec par exemple l’utilisation de textures magnétiques non colinéaires, comme les parois de domaines ou les skyrmions, de matériaux antiferromagnétiques ou bidimensionnels de Van der Waals, ou encore d’ondes de spin (on parle alors de magnonique) pour stocker, transmettre et traiter l’information.

Ces développements ont accru le besoin pour des techniques d’imagerie magnétique performantes, capables de détecter et de caractériser quantitativement tous ces objets magnétiques à l’échelle nanométrique. Parmi les techniques disponibles, les microscopies à sonde locale possèdent l’avantage d’offrir une résolution spatiale allant de quelques dizaines de nanomètres jusqu’à la résolution atomique tout en étant suffisamment compactes pour être utilisées au laboratoire.

Cet article présente en détail l’une d’entre elles, la magnétométrie à balayage de centre NV, qui repose sur l’utilisation du défaut azote-lacune du diamant (le centre NV, pour Nitrogen-Vacancy) comme capteur quantique afin de mesurer le champ magnétique de fuite généré par des textures magnétiques. Cette mesure est fondée sur la détection optique de l’effet Zeeman qui décale les niveaux d’énergie du spin du centre NV en présence de champ magnétique et elle permet de répondre à des questions cruciales en spintronique, telles que déterminer la structure interne de parois de domaines, observer et mesurer l’aimantation dans des matériaux bidimensionnels ou réaliser des images de textures antiferromagnétiques.

Cet article débute par une discussion sur les conditions d’utilisation et la comparaison de plusieurs techniques d’imagerie magnétique à sonde locale dont la magnétométrie NV, puis un aperçu des principaux objets nanomagnétiques étudiés grâce à elles. La suite fournit une description complète des propriétés du centre NV qui permettent de l’utiliser en tant que capteur non perturbateur et très sensible de champ magnétique. La façon d’intégrer ce capteur dans un magnétomètre constitué d’un microscope à force atomique couplé à un microscope confocal est également détaillée, en insistant sur la nécessaire procédure d’étalonnage des pointes utilisées. La versatilité de cette technique est illustrée par la présentation des différents modes d’imagerie de la magnétométrie NV, de leur régime d’utilisation, ainsi que de leur mise en œuvre. Les différentes procédures d’analyse des données expérimentales sont également exposées, afin de proposer une vue globale de toutes les étapes d’une utilisation rigoureuse de la magnétométrie NV. Pour terminer, des développements récents permettant une amélioration substantielle de la sensibilité magnétique sont discutés, ouvrant la porte à la mesure de signaux magnétiques toujours plus faibles.

Au-delà de la magnétométrie, les protocoles expérimentaux présentés ici permettent également de détecter d’autres grandeurs physiques tels que la température, la pression ou le champ électrique, faisant du microscope NV un outil polyvalent pour l’étude de la matière condensée.