Réseaux artificiels à frustration géométrique

Les réseaux de nanoaimants à frustration géométrique font l'objet d'investigations depuis maintenant une décennie. Ils permettent de réaliser expérimentalement des modèles de spins théoriques qui n'ont parfois pas d'équivalent naturel. Ces réseaux présentent, entre autres, l'intérêt d'offrir un accès direct aux configurations locales de spin. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à réaliser expérimentalement le modèle dit de "glace carrée" dans un réseau nanoaimants. Ce modèle hautement frustré présente un état fondamental massivement dégénéré, à l'origine de son entropie résiduelle à basse température. Dans ce travail, nous allons présenter deux approches permettant de réaliser le modèle de glace carrée.La première consiste à introduire dans le réseau carré conventionnel des nanoaimants supplémentaires. Sous certaines conditions, ceux-ci agissent en modifiant les couplages effectifs entre les aimants du réseau principal. Pour cela, les aimants additionnels doivent se comporter passivement vis à vis du réseau principal. Dans une étude théorique, nous montrerons que l'analyse du hamiltonien dans l'espace réciproque échoue à saisir les propriétés essentielles de ce nouveau modèle. C'est en calculant l'énergie de configurations aléatoires de spins que nous prouverons que notre système présente les caractéristiques recherchées. Nous porterons une attention particulière à l'effet de la portée et de la nature des interactions entre aimants. Grâce à des simulations micromagnétiques par différences finies, nous déterminerons les géométries pertinentes à employer pour une réalisation expérimentale. Grâce aux outils de microfabrication disponibles au laboratoire, nous avons pu fabriquer de tels réseaux. Les aimants sont constitués de permalloy mince, ce qui leur permet d'atteindre un régime superparamagnétique lors d'un recuit thermique. Nous avons observé que les aimants additionnels influencent comme prévu la physique du réseau carré. Un biais expérimental a cependant engendré une aimantation rémanente élevée dans certains réseaux. Cet effet a malheureusement masqué les corrélations caractéristiques attendues dans le modèle de glace carrée. Mais ces travaux ont permis de mettre en évidence un effet inattendu des aimants additionnels. Ceux-ci semblent stimuler les fluctuations thermiques dans les réseaux qui en sont pourvus.La seconde approche consiste à surélever les aimants orientés dans l'une des deux directions du réseau carré. Nous emploierons une méthodologie similaire à celle décrite précédemment pour l'étude de ce nouveau système. Théoriquement, le contrôle de la surélévation permet d'explorer trois modèles de spins différents, dont le modèle de glace carrée. Nous avons fabriqué des réseaux avec plusieurs surélévations, estimées au moyen de simulations micromagnétiques. Pour des raisons techniques, nous avons cette fois travaillé avec des nanoaimants de permalloy épais. Ils présentent la caractéristique d'être athermiques. Les fluctuations sont alors introduites grâce à un champ magnétique tournant et décroissant. Nous montrerons par des simulations que cette dynamique particulière stimule l'apparition de corrélations ferromagnétiques. La désaimantation réduit alors les surélévations nécessaires à la réalisation du modèle de glace carrée. Nous avons observé expérimentalement que l'effet de la surélévation est parfaitement cohérent avec nos prévisions. Les facteurs de structure que nous avons obtenus prouvent que nous avons réussi à réaliser le modèle de glace avec des nanoaimants. Cette approche nous a permis d'observer pour la première fois une phase de Coulomb dans l'espace direct. Ce travail ouvre des perspectives intéressantes pour l'étude des excitations existant dans cette phase, analogues à des monopoles magnétiques classiques.