Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Energy-Loss Magnetic Chiral Dichroism

L’EMCD [1] peut être comparé au XMCD (X-ray Magnetic Circular Dichroism), technique proposée en 1988 pour mesurer les moments magnétiques grâce à un rayonnement synchrotron. Lors de l’interaction avec l’échantillon, le faisceau incident (électronique ou rayons X) cède de l’énergie au matériau qui permet la transition d’électrons de cœur vers des niveaux excités. L’exploration des bandes électroniques vides permet d’avoir accès à des informations cristallographiques, sur les liaisons chimiques mais également sur le remplissage des bandes et donc le magnétisme. Des spectres, soit d’absorption X, soit de pertes d’énergie des électrons (EELS) dans le MET sont enregistrés pour déterminer ces informations. La résolution spatiale accessible dans un MET permet des mesures en EMCD pour sonder localement les moments magnétiques.

L’accès à l’information magnétique impose cependant des contraintes sur le faisceau incident. En XMCD, le faisceau est polarisé circulairement et la différence d’absorption selon deux polarisations est exploitée. Dans un MET, la polarisation du faisceau d’électrons a été montrée mais reste peu utilisée pour l’EMCD [1].

Une transition EELS induite par le champ électrique d’un électron incident donne lieu à une transition électronique parallèle au vecteur de diffusion q. Il est alors possible d’interpréter cette transition comme l’absorption d’un photon virtuel de vecteur de polarisation parallèle au vecteur de diffusion.

Les vecteurs de polarisation du faisceau X et les vecteurs de diffusion dans le MET jouent donc des rôles comparables.

Une polarisation circulaire virtuelle avec les électrons est ainsi obtenue en combinant des vecteurs de diffusion perpendiculaires entre eux et montrant une relation de phase fixe. L’orientation de l’échantillon pour considérer le faisceau transmis et un faisceau diffracté permet de valider la condition de phase et la localisation spatiale des vecteurs assure la perpendicularité entre eux.

 La variation de signal EELS est ainsi enregistrée entre deux positions dans le plan de diffraction du matériau, correspondant à des combinaisons de deux vecteurs de diffusion [2].

Le traitement quantitatif des données a été formalisé grâce aux règles de somme pour le XMCD et ces règles ont été dérivées dans le cas de l’EMCD [3,4].

Différents exemples d’application ont été proposés par le groupe en utilisant un mode d’acquisition original en EMCD, l’imagerie filtrée. Ce mode d’acquisition implique un traitement spécifique des distorsions de l’image, développé dans l’équipe [5]. Différents matériaux ont été étudiés : la magnétite [6], le fer [7], le alliages de fer-cobalt [8] et plus récemment le MnAs [9,10] et le DyFe2.

[1] P. Schattschneider et al., “Detection of Magnetic Circular Dichroism Using a Transmission Electron Microscope,” Nature 441,  486 (2006)

[2] J. Verbeeck, H. Tian, and P. Schattschneider, “Production and Application of Electron Vortex Beams,” Nature 467, 301 (2010)

[3] L. Calmels et al., “Experimental Application of Sum Rules for Electron Energy Loss Magnetic Chiral Dichroism,” Physical Review B 76, 060409 (2007)

[4] J. Rusz et al., “Sum Rules for Electron Energy Loss near Edge Spectra,” Physical Review B76, 060408 (2007)

[5] C. Gatel, B. Warot-Fonrose, and P. Schattschneider, “Distortion Corrections of ESI Data Cubes for Magnetic Studies,” Ultramicroscopy109, 1465–71, (2009)

[6] B. Warot-Fonrose et al., “Mapping Inelastic Intensities in Diffraction Patterns of Magnetic Samples Using the Energy Spectrum Imaging Technique,” Ultramicroscopy 108, 393–98 (2008)

[7] B. Warot-Fonrose et al., “Effect of Spatial and Energy Distortions on Energy-Loss Magnetic Chiral Dichroism Measurements : Application to an Iron Thin Film,” Ultramicroscopy 110, 1033–37 (2010)

[8] B. Warot-Fonrose et al., “Magnetic Properties of FeCo Alloys Measured by Energy-Loss Magnetic Chiral Dichroism,” Journal of Applied Physics107, 09D301 (2010)

[9] X. Fu, B. Warot-Fonrose et al., “Energy-loss magnetic chiral dichroism (EMCD) study of local ferromagnetic properties of epitaxial MnAs thin film on GaAs(001)”, Applied Physics Letters 107, 062402 (2015)

[10] X. Fu, B.Warot-Fonrose et al., “In Situ Observation of Ferromagnetic Order Breaking in MnAs/GaAs(001) and Magnetocrystalline Anisotropy of Alpha-MnAs by Electron Magnetic Chiral Dichroism,” Physical Review B 93, 104410 (2016)