Le laser dessine des paysages magnétiques sur mesure

Barbara Vonarburg

Parfois, utiliser des outils conventionnels d’une manière nouvelle produit des résultats stupéfiants. C’est ce qui s’est produit lorsque des chercheurs ont utilisé l’équipement laser de haute technologie de la salle blanche du PSI pour quelque chose à quoi il n’était pas destiné. Il avait été acheté à l’origine pour la photolithographie – un procédé de production de minuscules structures 2D. Normalement, le laser irradie une résine photosensible avec une lumière de différentes intensités, créant ainsi différents niveaux d’exposition. Cette lithographie dite en niveaux de gris produit un relief tridimensionnel qui peut ensuite être transféré sur le matériau souhaité. Un domaine d’application important de cette technologie est la micro-optique moderne ; elle peut être utilisée, par exemple, pour fabriquer des lentilles pour smartphones.

« Nous utilisons cet outil pour autre chose que sa finalité première », explique Aleš Hrabec : « Nous l’utilisons pour créer des changements continus bidimensionnels des propriétés magnétiques dans des matériaux importants pour diverses applications. » Hrabec est un scientifique du groupe de recherche Systèmes mésoscopiques, dirigé par Laura Heyderman et qui relève à la fois du PSI et de l’ETH Zurich. Ce que les chercheurs entendent par mésoscopique, ce sont des systèmes dont les dimensions sont de l’ordre de quelques micromètres. À titre de comparaison : un cheveu humain a un diamètre bien plus grand, d’environ 100 micromètres.

Une idée folle qui fonctionne

Si vous voulez changer les propriétés d’un matériau magnétique, vous pouvez, par exemple, le chauffer dans un four. Mais cela modifie l’ensemble de l’échantillon. En quête d’une méthode pour des changements localisés, les chercheurs du PSI ont eu l’idée de placer un film mince d’un matériau magnétique, sans résine photosensible, dans l’appareil de lithographie existant. « C’était une idée folle, donc j’ai été très surpris que cela fonctionne immédiatement », déclare Lauren Riddiford, postdoctorante dans le groupe Systèmes mésoscopiques : « Lorsque nous avons observé le contraste magnétique sous un microscope spécial, nous avons pu voir immédiatement les changements continus des propriétés magnétiques. » 

Le laser agit essentiellement comme un four, mais son effet modifie les propriétés magnétiques avec une précision extrême. Le laser est utilisé pour balayer la surface de l’échantillon de matériau, en modulant l’intensité lumineuse comme souhaité. Cela chauffe de très petites zones de seulement 150 nanomètres. Le procédé est appelé recuit laser par écriture directe, ou DWLA en abrégé. Un tel chauffage ciblé provoque des changements locaux dans un matériau – il s’oxyde, cristallise, ou allie deux métaux. Cela peut changer la force ou la direction de l’aimantation et influencer les interactions à l’interface entre deux matériaux.

L’approche locale et progressive a une capacité unique à créer des gradients de propriétés magnétiques qui peuvent prendre des formes arbitraires. Jusqu’à présent, il n’était possible de produire que des gradients latéraux unidimensionnels de telles propriétés matérielles. Désormais, des cercles, des spirales, ou même des formes plus complexes sont possibles, comme le démontre Riddiford dans une vidéo montrant la création d’une structure magnétique en forme de flocon de neige. « Lorsque nous appliquons un champ à l’échantillon traité, l’aimantation au centre change d’abord de direction, de vers le haut à vers le bas. Lorsque le champ devient plus fort, cette commutation se propage radialement », précise la chercheuse. Dans les zones autour du flocon, le matériau a été suffisamment chauffé avec le laser pour qu’il ne soit plus magnétique.

Plus rapide, plus efficace et plus sûr

L’objectif des chercheurs n’est pas de faire de jolies images mais plutôt de permettre des applications concrètes, par exemple dans la technologie de stockage de données. De petits aimants sont utilisés depuis longtemps pour sauvegarder des données sur les disques durs d’ordinateurs. Selon la direction vers laquelle pointe le pôle d’un aimant, cela correspond à un un ou un zéro, c’est-à-dire la valeur d’un bit. Au-dessus du disque dur rotatif se trouve une bobine qui lit et écrit les informations à l’aide d’un champ magnétique.

« Avec notre technique, nous voulons découvrir quels matériaux et propriétés magnétiques sont les mieux adaptés pour produire des dispositifs de stockage qui n’ont plus de pièces mobiles et ne nécessitent pas l’utilisation de champs magnétiques », indique Jeffrey Brock, un autre postdoctorant du groupe Systèmes mésoscopiques.

En raison des changements continus des propriétés magnétiques dans le support de stockage, aucun champ magnétique n’est nécessaire pour modifier l’aimantation des bits. Un courant électrique peut être utilisé pour écrire et lire les informations. De tels éléments de stockage existent déjà. « Cependant, nous pensons que notre approche de modification locale des propriétés des matériaux est beaucoup plus simple et rapide que les technologies actuellement utilisées pour créer de tels motifs », affirme Brock.

Les dispositifs de stockage de données commutés électriquement sont plus rapides, et plus de données peuvent être stockées dans un espace plus petit. Les chercheurs souhaitent également l’appliquer à une classe spéciale de matériaux appelés antiferromagnétiques synthétiques. Cela rendrait le stockage de données plus permanent et plus sûr, car ce matériau est insensible à un champ magnétique externe.

Calcul et stockage sur la même puce

Une autre application possible est le calcul dit en mémoire – dans lequel le traitement et le stockage des données ont lieu sur la même puce. Dans les appareils électroniques actuels, les données sont constamment transportées entre le processeur rapide et l’unité de stockage beaucoup plus lente, ce qui coûte beaucoup de temps et d’énergie. L’utilisation d’une seule puce permettrait une augmentation extrême de la vitesse. Il y a quatre ans, une collaboration de recherche entre le PSI et l’ETH Zurich a réussi pour la première fois à réaliser des opérations logiques dans un matériau magnétique permettant également un stockage simultané des données – une invention qui a été brevetée.

Mais le matériau utilisé jusqu’à présent n’est pas adapté aux procédés de fabrication sur lesquels repose l’industrie des semi-conducteurs d’aujourd’hui. « Nous espérons pouvoir utiliser la technique laser pour produire un matériau magnétique compatible avec ces procédés standard », confie Hrabec. 

Un autre nouveau domaine de recherche d’intérêt est le calcul dit neuromorphique – une approche du traitement des données inspirée par le cerveau et le réseau de cellules nerveuses, c’est-à-dire les neurones. Ici, par exemple, de minuscules aimants dans différentes configurations sont destinés à interagir les uns avec les autres comme des neurones dans des réseaux biologiques. « Mais le cerveau n’est pas constitué d’un seul matériau simple », fait remarquer Hrabec. « Par conséquent, vous ne pouvez pas simplement utiliser une fine couche d’un seul matériau magnétique comme le cobalt à cette fin ; vous avez besoin de quelque chose de plus complexe. » Une tâche idéale pour la nouvelle technologie laser, qui peut être utilisée pour créer des paysages magnétiques arbitraires.

Hrabec est convaincu que le travail de l’équipe de recherche ouvrira de nombreuses autres applications, par exemple dans les domaines de la technologie des capteurs et de la photonique, dans lesquels la lumière est utilisée pour transmettre des informations. Le chauffage et la cristallisation par laser dans un matériau peuvent modifier son indice de réfraction et donc ses propriétés optiques.

=Le grand avantage du recuit laser est que l’équipement utilisé est un dispositif commercial déjà disponible dans de nombreux laboratoires à travers le monde. Il ne nécessite pas de vide ou d’autres conditions spéciales. De plus, il peut réaliser en quelques secondes ce qui prendrait des heures dans un four. Hrabec résume ainsi : « La grande force de cette technologie est qu’elle est relativement peu coûteuse, très rapide et facilement disponible. »

Article : Two-dimensional gradients in magnetic properties created with direct-write laser annealing – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : 10.1038/s41467-025-65921-7

Source : PSI