Comment cartographier la dynamique de spin par MET

24 novembre 2025

Cet article présente une méthode basée sur l’holographie électronique pour imager les ondes de spin dans des nano-objets avec une résolution nanométrique. Nos simulations et reconstructions d’hologrammes montrent qu’il est possible de cartographier la précession de l’aimantation aux Gigahertz, permettant ainsi de la corréler aux informations structurales et chimiques et d’accéder localement à la dynamique de spin.

Le développement rapide de la magnonique, discipline dédiée à la manipulation des ondes de spin pour concevoir des dispositifs à faible consommation énergétique, exige de nouvelles approches pour sonder les dynamiques de spin à l’échelle nanométrique, en particulier dans des états rémanents complexes. Seules quelques techniques offrent la résolution spatiale nécessaire pour accéder à des phénomènes se produisant sur quelques nanomètres.
Les méthodes optiques sont limitées par la diffraction (environ 300 nm). La microscopie BLS (µ-BLS) améliore cette résolution à quelques dizaines de nanomètres, atteignant même 10 nm lorsqu’elle est couplée à des résonateurs Mie. Les microscopies en champ proche, telles que la microscopie à centres NV, offrent des résolutions similaires, mais nécessitent des champs magnétiques externes, ce qui les rend inadaptées à l’étude de l’état rémanent. Les méthodes basées sur les rayons X peuvent atteindre une résolution d’environ 10 nm, mais dépendent de la sensibilité chimique et de l’accès au synchrotron.

La microscopie électronique en transmission (MET) constitue une plateforme extrêmement polyvalente pour cartographier les champs électromagnétiques avec une précision nanométrique. Parmi les méthodes MET, l’holographie électronique permet de mesurer quantitativement l’induction magnétique à l’échelle nanométrique. Nous montrons ici comment sa très grande sensibilité de phase peut être exploitée pour détecter les variations magnétiques subtiles et moyennées temporellement générées par la précession de l’aimantation liée aux ondes de spin dans le domaine GHz. Ces variations sont obtenues en soustrayant l’image de phase magnétique à l’équilibre de celle correspondant à un état de précession issu de simulations micromagnétiques.

En utilisant un plot de Permalloy comme système modèle, nos simulations révèlent que les principaux modes d’onde de spin produisent un signal magnétique faible mais détectable, à condition d’ajuster correctement l’amplitude du champ micro-onde et de disposer de conditions MET optimisées (détecteur électronique direct, stabilité améliorée, protocoles d’acquisition adaptés). Les hologrammes reconstruits reproduisent la symétrie spatiale des modes simulés, permettant une cartographie quantitative de l’amplitude locale de la précession.

Nous proposons également une configuration réaliste reposant sur un système d’excitation par micro-antennes et identifions les principaux défis liés à l’intégration de signaux haute fréquence dans la colonne MET. Ce travail établit ainsi les bases conceptuelles et les conditions pratiques nécessaires pour imager les modes d’onde de spin dans des nanostructures par holographie électronique, offrant une solution très performante pour étudier les dynamiques de spin à l’échelle nanométrique, essentielles au développement futur des technologies magnonique en régime GHz.

(a) Principe de l’holographie électronique hors axe.
(b) Schéma de la composante dynamique magnétique moyennée temporellement comparée à l’aimantation statique lorsque l’aimantation dynamique  oscille sous un champ micro-onde.
(c) Exemple de la composante dynamique M_Z(t) calculée pour un mode de spin. Les hologrammes correspondants pour certaines valeurs de M_Z sont présentés en dessous. La position du plot magnétique carré est indiquée par le contour jaune.

Ce travail a été publié dans la revue Applied Physics Letters et mis en avant par l’éditeur.

Contacts :
Christophe Gatel | christophe.gatel[chez]cemes.fr
Nicolas Biziere | nicolas.biziere[chez]cemes.fr

Publication :
Concept of imaging spin waves in pseudo-static mode by electron holography
M. Resano, C. Gatel, A.C. Torres-Dias, B. Lassagne, and N. Biziere
Applied Physics Letters 127, 212404 (2025)
DOI : https://doi.org/10.1063/5.0294261