Micro-SQUID magnetometry to study the magnetisation reversal of single submicronic ferromagnetic particles
Magnétométrie à micro-SQUID pour l'étude de particules ferromagnétiques isolées aux échelles
Résumé
We present the first magnetization measurements of single submicronic particles at very low temperature (0.1 - 6 K) using micro-bridge-DC-SQUIDs with a flux resolution corresponding to 10^4 µB. We have mainly studied particles patterned by electron-beam lithography (500 - 50 nm), but also wires and clusters.
The angular dependence of the smallest particles, patterned by electron-beam lithography, was close to the model of uniform rotation predicted by Stoner and Wohlfarth. Nevertheless, the magnetisation reversal was triggered by a nucleation process. The temperature (1 to 6 K) and applied field sweeping rate dependence (0.01 to 100 mT/s) of the mean switching field could be described by the simple model of Kurkijärvi based on thermal activated switching. The failure of the model below 1 K can be an indication of macroscopic quantum tunneling. Furthermore we measured the probability for switching at constant applied magnetic field as a function of time and temperature. For the smallest particles it was close to an exponential function. The mean waiting time followed an Arrhenius law, despite temperatures below 1 K a deviation was found which was similar to the one of the mean switching field. Finally, the increase of the width of the switching field distribution at lower temperature is probably due to sample defects (surface roughness, crystalline defects, impurities, etc.) inducing a multi-valley energy landscape revealed at low temperature when the thermal energy is of the same order than the fluctuations of the energy surface.
The angular dependence of the smallest particles, patterned by electron-beam lithography, was close to the model of uniform rotation predicted by Stoner and Wohlfarth. Nevertheless, the magnetisation reversal was triggered by a nucleation process. The temperature (1 to 6 K) and applied field sweeping rate dependence (0.01 to 100 mT/s) of the mean switching field could be described by the simple model of Kurkijärvi based on thermal activated switching. The failure of the model below 1 K can be an indication of macroscopic quantum tunneling. Furthermore we measured the probability for switching at constant applied magnetic field as a function of time and temperature. For the smallest particles it was close to an exponential function. The mean waiting time followed an Arrhenius law, despite temperatures below 1 K a deviation was found which was similar to the one of the mean switching field. Finally, the increase of the width of the switching field distribution at lower temperature is probably due to sample defects (surface roughness, crystalline defects, impurities, etc.) inducing a multi-valley energy landscape revealed at low temperature when the thermal energy is of the same order than the fluctuations of the energy surface.
Au cours de ce travail de thèse, nous avons effectué les premières mesures de l'aimantation d'une seule particule ferromagnétique à basse température (0.1 - 6 K) à l'aide de SQUID hystérétiques continus extrêmement performants : la sensibilité de nos mesures est de 10^4 µB. Nous avons étudié des systèmes multiples et variés, tout d'abord des particules faites par lithographie électronique de forme elliptiques et de dimensions supérieures à 50 nm, mais aussi des fils magnétiques et des agrégats.
En ce qui concerne les particules élaborées par lithographie électronique, les plus petites ont montré que la variation du champ de retournement en fonction de l'angle est en accord qualitatif avec le modèle de rotation uniforme de Stoner Wohlfarth. Cependant le déclenchement du retournement de l'aimantation s'effectue par un processus de nucléation. Les études de la dynamique de retournement de l'aimantation faites sur ces particules et les fils magnétiques ont montré que le retournement de l'aimantation est activé thermiquement et peut être approximativement décrit par le modèle de Kurkijärvi pour les températures comprises entre 1 et 6 K. En dessous de 1 K, ce modèle est mis en défaut ce qui pourrait être expliqué par un effet quantique. En ce qui concerne la probabilité de retournement de l'aimantation nous avons trouvé pour les plus petites particules que cette probabilité est proche d'une exponentielle. Cependant il existe de nouveau une déviation à plus basse température, probablement de même origine que la déviation observée sur le modèle de Kurkijärvi. Enfin, la largeur de la distribution des champs de retournement augment à basse température. Ceci est sans doute dû à l'existence de défauts (rugosité de surface, défauts cristallins, impuretés, etc.) qui créent de multiples vallées et cols sur la surface d'énergie potentielle décrivant le système, ceux-ci étant en fait révélés lorsque l'énergie thermique est du même ordre de grandeur ou inférieure à ces fluctuations de la surface d'énergie.
En ce qui concerne les particules élaborées par lithographie électronique, les plus petites ont montré que la variation du champ de retournement en fonction de l'angle est en accord qualitatif avec le modèle de rotation uniforme de Stoner Wohlfarth. Cependant le déclenchement du retournement de l'aimantation s'effectue par un processus de nucléation. Les études de la dynamique de retournement de l'aimantation faites sur ces particules et les fils magnétiques ont montré que le retournement de l'aimantation est activé thermiquement et peut être approximativement décrit par le modèle de Kurkijärvi pour les températures comprises entre 1 et 6 K. En dessous de 1 K, ce modèle est mis en défaut ce qui pourrait être expliqué par un effet quantique. En ce qui concerne la probabilité de retournement de l'aimantation nous avons trouvé pour les plus petites particules que cette probabilité est proche d'une exponentielle. Cependant il existe de nouveau une déviation à plus basse température, probablement de même origine que la déviation observée sur le modèle de Kurkijärvi. Enfin, la largeur de la distribution des champs de retournement augment à basse température. Ceci est sans doute dû à l'existence de défauts (rugosité de surface, défauts cristallins, impuretés, etc.) qui créent de multiples vallées et cols sur la surface d'énergie potentielle décrivant le système, ceux-ci étant en fait révélés lorsque l'énergie thermique est du même ordre de grandeur ou inférieure à ces fluctuations de la surface d'énergie.
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