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MADEA : Observation magnéto-optique de domaines magnétiques

Les effets magnéto-optiques mettent en jeu l'interaction du champ électrique associé à l'onde lumineuse avec l'aimantation du matériau. Succinctement, on écrira que les électrons du matériau éclairé vibrent sous l'action du champ électrique de l'onde électromagnétique incidente. Si on considère par exemple un métal, cela se traduit par la circulation des courants de Foucault bien connus, responsables entre autres des propriétés réfléchissantes caractéristiques des bons conducteurs électriques.

Dans le cas d'un matériau ferromagnétique, le milieu matériel est structuré en domaines de Weiss. Ces régions présentent des aimantations uniformes, variables en direction d'un domaine à l'autre. On y observe donc également un champ d'induction B (qu'on ne doit pas confondre avec le champ d'induction transporté par l'onde électromagnétique). Les électrons animés de la vitesse v induite par le champ électrique de l'onde sont alors soumis à la force de Lorentz, F =-e v x B, différente d'un domaine à l'autre. Il s'ensuit que les propriétés des ondes transmise ou réfléchie diffèrent légèrement en fonction du type de domaine éclairé. Cela permet, dans les cas favorables, de cartographier la structure en domaines.

Nous n'évoquerons ici que l'effet Faraday et les effets Kerr magnéto-optiques.

Imagerie des domaines par effet Faraday

Les milieux magnétiques transparents sont à priori les candidats idéaux pour la mise en œuvre des effets magnéto-optiques, puisque alors la profondeur de pénétration des ondes est importantes, et les effets induits par le magnétisme du matériau aussi. L'effet Faraday concerne ainsi les propriétés de l'onde transmise, et s'applique à un milieu d'aimantation perpendiculaire au plan de l'échantillon.

Une onde lumineuse polarisée rectilignement éclaire l'échantillon en incidence normale. L'onde transmise voit alors son plan de polarisation tourner d'un angle proportionnel à l'épaisseur de l'échantillon, le sens de la rotation étant fonction du sens de l'aimantation au point éclairé. On obtient donc deux catégories d'ondes transmises, à l'image des deux types de domaines magnétiques présents. Un miroir disposé sous l'échantillon permet de renvoyer l'onde, ce qui multiplie par deux l'amplitude de l'effet induit par l'aimantation. On discrimine les deux types de lumière au moyen d'un analyseur intercalé avant le dispositif d'imagerie. Correctement orienté, ce composant absorbe entièrement une des deux ondes et transmet partiellement l'autre. La structure en domaines magnétiques apparait alors en zones sombres ou claires en fonction du sens de l'aimantation.

MADEA : Domaines par effet Faraday

Figure 1 : Visualisation par effet Faraday de la structure en domaines de Weiss d'un échantillon (YLuBi)3 (FeGa)5 O12 monocristallin d'épaisseur e = 5,3 µm (épitaxie en phase liquide réalisée au Leti-CEA, sur substrat monocristalin de GGG ( Gd3Ga5O12)).  Les domaines dont l'aimantation pointe vers le haut apparaissent en noir, ceux d'orientation opposée apparaissent en blanc (avec l'aimable autorisation de Pierre Molho)

Imagerie des domaines par effet Kerr

Beaucoup de matériaux magnétiques sont constitués d'alliages métalliques pour lesquels il n'y a pas d'onde transmise. Les effets Kerr magnéto-optiques exploitent ainsi les propriétés des ondes réfléchies. La zone scrutée s'étend alors sur une profondeur de quelques centaines d'Angstroems, de sorte que les effets Kerr sont bien adaptés à l'étude des domaines dans les couches minces.

Les structures en domaines observées sur des échantillons massifs sont souvent complexes, à cause de la présence de domaines de fermeture dont la topologie est fortement conditionnée par l'orientation cristallographique par rapport à la surface de l'échantillon. Il en résulte que la structure observée diffère souvent de la structure en domaines caractéristique du cœur.

On distingue trois variantes :

 

  • L'effet Kerr polaire, analogue à l'effet Faraday utilisé en double transmission. Les effets sont simplement bien plus faibles, à cause de la faible profondeur de pénétration.
  • L'effet Kerr transverse, sensible à la composante d'aimantation dans le plan de l'échantillon et perpendiculaire au plan d'incidence. L'aimantation conditionne la valeur de la réflectivité.
  • L'effet Kerr longitudinal, sensible à la composante de l'aimantation dans le plan de l'échantillon et parallele au plan d'incidence. On observe une rotation de polarisation de l'onde réfléchie fonction de l'aimantation. C'est cet effet que l'on met à contribution pour la visualisation des structures en domaines dans les matériaux magnétiques doux. Comme pour l'effet Kerr polaire ou l'effet Faraday, les deux sortes d'ondes réfléchies sont discriminées à l'aide d'un analyseur. Compte-tenu de la très faible rotation du plan de polarisation (2 ou 3 minutes pour des matériaux de type FeSi), le polariseur et l'analyseur doivent être de très grande qualité pour rendre possible cette discrimination.
MADEA : Manip effet Kerr longitudinal

 

Figure 2 : principe de l'imagerie magnétique par effet Kerr longitudinal

 

 

MADEA : Observation par effet Kerr monocristal FeSi

 

Figure 3 : Visualisation par effet Kerr longitudinal des domaines de Weiss dans un monocristal FeSi.  Le schéma précise l'orientation de la maille élémentaire (cubique) par rapport au plan de l'échantillon. Les directions d'aimantion facile correspondent aux arêtes du cube.

mise à jour le 22 novembre 2018

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