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Cette coupe verticale virtuelle de l'échantillon révèle sa structure magnétique interne.

Institut Paul Scherrer/Claire Donnelly

(sda-ats)

Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer (PSI), de l’EPFZ et de l’Université de Glasgow sont parvenus à visualiser en 3D à l’échelle nanométrique la structure interne d'un aimant. Ils ont aussi confirmé une théorie datant de 1965.

La structure magnétique est l’agencement commun des moments magnétiques, et chaque moment magnétique peut être comparé à une minuscule aiguille de boussole, a indiqué mercredi le PSI dans un communiqué.

L’objet étudié était un aimant cylindrique de gadolinium-cobalt - un matériau ferromagnétique - et mesurait quelques micromètres (millièmes de millimètre). Les chercheurs sont parvenus à visualiser au cœur de l’objet les fins motifs magnétiques et ce au dixième de millième de millimètre près. En d’autres termes, les plus petits détails visibles de cette représentation 3D mesuraient environ 100 nanomètres.

L’imagerie a été obtenue avec la tomographie magnétique à rayons X durs, une nouvelle technologie développée au PSI dans le cadre de cette étude. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature.

"Jusqu’ici, on n’arrivait à visualiser des détails aussi minuscules des structures magnétiques que sur des films minces ou à la surface de certains objets", explique Laura Heyderman, directrice de l’étude, chercheuse au PSI et professeure à l’EPF de Zurich.

"Nos images, en revanche, permettent véritablement de plonger dans le matériau magnétique: nous voyons et nous comprenons l’agencement tridimensionnel des minuscules aiguilles de boussole magnétiques", précise-t-elle. Ces aiguilles réagissent les unes aux autres et forment des motifs bien particuliers qui structurent l’objet tout entier.

Points de Bloch

Les chercheurs n’ont pas tardé à remarquer que le motif magnétique était composé de structures magnétiques fondamentales enchevêtrées les unes dans les autres. Ils ont identifié des domaines magnétiques, c’est-à-dire des régions où l’orientation magnétique est la même, ainsi que des parois de domaines qui séparent ces derniers les uns des autres.

Par ailleurs, les scientifiques ont observé des tourbillons magnétiques, dont la forme s’apparentait à celle d’une tornade. Une fois assemblées, toutes ces structures formaient un motif unique et complexe.

Un type de structure exceptionnelle a ajouté encore un intérêt supplémentaire aux résultats: une série de singularités magnétiques appelées points de Bloch, où les "aiguilles de boussole" changent brusquement de direction. Même si leur existence est prédite depuis 1965, on n’avait jamais réussi à les observer directement.

Ces travaux constituent une avancée dans la compréhension des propriétés fondamentales des matériaux magnétiques. Au-delà, cette nouvelle méthode qui permet de visualiser l’intérieur des aimants pourrait largement influencer nombre de technologies actuelles: les aimants sont en effet utilisés dans les moteurs, pour la production d’énergie et le stockage de données.

Un jour, il sera probablement possible de produire des aimants sur mesure, ce qui devrait améliorer nombre d’applications quotidiennes, selon le PSI.

ATS