Des équipes du C2N, réunis au sein d’une collaboration internationale, ont mis au point des multicouches Co/Pt combinant magnétisme et vibrations acoustiques à ultra-haute fréquence — ouvrant la voie aux technologies magnétoacoustiques et quantiques du futur.
Les vibrations acoustiques dans la gamme gigahertz à térahertz — appelées hyperson — jouent un rôle central dans le contrôle nanométrique de l’énergie, de la chaleur et du spin. Pourtant, obtenir de telles vibrations dans des matériaux magnétiques reste un défi de longue date. La nouvelle étude, publiée dans le Journal of Physics D: Applied Physics (2025), montre que les multicouches métalliques Co/Pt ne se contentent pas de présenter une anisotropie magnétique perpendiculaire : elles peuvent également soutenir des vibrations hypersoniques jusqu’à 900 GHz, une propriété clé pour les futurs systèmes spintroniques et magnétoacoustiques.
Cette recherche a été menée dans le cadre d’une collaboration entre le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS, Université Paris-Saclay, France) et l’Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (CNEA-CONICET, Argentine), dirigée par le Dr Daniel Lanzillotti-Kimura et la Dr Mara Granada. « Nous montrons que les superréseaux Co/Pt ne sont pas seulement intéressants pour leurs propriétés magnétiques, mais aussi comme résonateurs acoustiques », explique E.R. Cardozo de Oliveira, premier auteur de l’étude. « Cette double fonctionnalité en fait des éléments de base idéaux pour manipuler la magnétisation à l’aide du son. »
Les chercheurs ont fait croître les superréseaux par pulvérisation magnétron, puis caractérisé leur structure par réflectométrie des rayons X et microscopie électronique, révélant des couches métalliques hautement périodiques. Des mesures magnéto-optiques et de magnétométrie SQUID ont confirmé une orientation magnétique hors-plan prononcée, qui augmente avec l’épaisseur du cobalt. Pour étudier leur comportement acoustique, les chercheurs ont utilisé des expériences de spectroscopie pompe–sonde ultrarapide, où des impulsions lumineuses femtosecondes génèrent et détectent des ondes sonores au sein des couches nanométriques.
Les empilements Co/Pt ont produit des échos acoustiques cohérents jusqu’à 250 GHz et des modes phononiques éphémères atteignant 900 GHz — parmi les fréquences les plus élevées jamais observées dans des systèmes ferromagnétiques. « Ces structures agissent comme des résonateurs acoustiques à l’échelle nanométrique », explique le Dr Lanzillotti-Kimura. « Elles offrent une plateforme où l’hyperson peut potentiellement interagir avec les excitations magnétiques, ouvrant la voie à de nouvelles méthodes de contrôle du magnétisme. »
Au-delà de la physique fondamentale, ces résultats ont des implications directes pour le couplage magnon–phonon, la gestion thermique nanométrique et les technologies de l’information quantique. En concevant des superréseaux métalliques dont l’épaisseur et la qualité d’interface sont ajustées avec précision, les chercheurs peuvent désormais régler simultanément leurs réponses magnétiques et acoustiques. « Il s’agit d’une étape fondatrice vers l’intégration hybride des phonons et magnons à ultra-haute fréquence pour des applications magnophononiques », ajoute la Dr Granada. « Les superréseaux ferromagnétiques comme Co/Pt constituent une plateforme à l’état solide particulièrement prometteuse pour les technologies quantiques et nanophononiques du futur. »
Structural and nanoacoustic characterization of Co/Pt ferromagnetic superlattices
Journal of Physics D : Applied Physics
J. Phys. D: Appl. Phys. 58 (2025) 455301 (10pp)
https://doi.org/10.1088/1361-6463/ae148a
E R Cardozo de Oliveira1, C Xiang1, C Borrazás2, S Sandeep1, J E Gómez3, M Vasquez Mansilla3, N Findling1, L Largeau1, N D Lanzillotti-Kimura1
and M Granada3,4,
1Université Paris-Saclay, C.N.R.S., Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), 10 Boulevard Thomas Gobert, 91120 Palaiseau, France
2Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Física,1428 Buenos Aires, Argentina
3Instituto de Nanociencia y Nanotecnología CNEA-CONICET. Departamento de Magnetismo y Materiales Magnéticos, Gerencia de Física, Centro Atómico Bariloche, CNEA. Av. E. Bustillo 9500, R8402AGP San Carlos de Bariloche, Río Negro, Argentina
4Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo-CNEA, Av. E. Bustillo 9500, San Carlos de Bariloche, Río Negro, R8402AGP, Argentina
Figure : (a) Des images de microscopie révèlent le super-réseau Co/Pt en couches, avec le platine et le cobalt clairement séparés, sur un substrat de silicium. La carte de composition et le profil confirment l’empilement régulier des deux éléments. (b) Représentation schématique des phonons acoustiques sub-THz et de l’anisotropie magnétique perpendiculaire dans le super-réseau.
