Soutenance mémoire
Malgré quelques incertitudes sur la période exacte, tous s’accordent à dire que la découverte du magnétisme est apparue il y a plus de 2500 ans avec le minerai nommé magnétite (Fe3O4). Historiquement, ce minerai a été découvert en Magnésie (situé aujourd’hui à l’Ouest de la Turquie), une région qui inspira le nom du phénomène : magnétisme. Ce minerai fut également à l’origine de la première application du magnétisme pour l’Homme : la boussole. Cette invention date de 1086 est doit sa description au chinois Shen Kuo qui publia dans son livre « Meng Xi Bi Tan » comment créer une boussole : « Quand on polit la pointe d’un aiguille avec une pierre d’aimant, elle s’oriente vers le sud mais légèrement vers l’est, pas vraiment au sud » [1]. Bien que la découverte et la première application du magnétisme fussent précoces, il fallut attendre le début du XXe siècle et l’apparition de la Physique Quantique pour lever le voile sur son origine physique.
Aujourd’hui, les applications du magnétisme sont considérables. Parmi celles-ci on peut citer le stockage d’information dans un disque dur qui consiste à relier une information binaire (0 ou 1) à l’orientation de l’aimantation de nano-grains magnétiques. Une autre application grand public, reliée au sujet de cette thèse, est celle des plaques de cuisson à induction. Le principe de cette technologie est de faire directement chauffer le contenant (casserole, poêle, …) à l’aide d’un champ magnétique alternatif. Pour ce faire, l’objet à chauffer doit avoir un fond en matériau ferromagnétique. Une fois posé sur les plaques à induction générant un champ magnétique alternatif, des courants électriques sont induits dans le matériau ferromagnétique (les courants de Foucault) échauffant par effet Joule l’ensemble du contenant. Lors de l’application de ce champ magnétique alternatif, un deuxième phénomène provoque l’échauffement du fond, les pertes par hystérésis.
Le magnétisme
L’atome
En 1913, les physiciens Ernest Rutherford et Niels Bohr proposent, non sans preuve, un modèle atomique dans lequel l’atome est constitué d’un noyau de charge positive autour duquel orbitent des électrons, i.e. des particules exclusivement chargées négativement. Ce modèle, aussi connu sous le nom de modèle planétaire ou modèle de Rutherford-Bohr est le fruit d’un travail de recherche et d’investigation remontant à l’Antiquité où il fut proposé de considérer la matière comme un agencement d’objets insécables, les atomes (en grec «ἄτομος », signifiant « insécable ») [1].
Toujours selon ce modèle, les orbites que les électrons décrivent autour de leur noyau sont représentatives de leur énergie cinétique, et donc de la force d’attraction entre le noyau et l’électron considéré. En résumé, plus un électron a une orbite proche du noyau plus il lié fortement à celui-ci. Ces orbites sont également appelées couches électroniques. Dans un premier temps, ces couches électroniques prirent le nom de K, L, M, N, … . Chacune de ces couches peuvent contenir un nombre maximal d’électrons (K : 2, L : 8, M : 18, N : 32, …), au-delà duquel les électrons supplémentaires doivent circuler sur la couche suivante. Ces couches commencent à se remplir à partir de K (la couche la plus proche du noyau de l’atome).
En 1924, Wolfgang Pauli démontre l’existence du spin (s) des électrons. De manière imagée, ce paramètre revient à considérer que les électrons tournent sur eux-mêmes, générant un moment magnétique. Dans le cas des électrons il démontra que le spin ne peut prendre que deux valeurs : soit ? = + ½ (spin up) soit ? = ½ (spin down). Cette propriété des électrons l’emmena à développer, en 1925, le principe d’exclusion de Pauli. Ce principe nous indique qu’il ne peut y avoir que 2 électrons maximum par orbite et qu’ils ne doivent pas avoir la même valeur de spin. Il faut qu’ils soient de spin opposé. Ainsi, on dit qu’une orbite est pleine lorsqu’elle contient 2 électrons de spin opposé. Ce principe, basé sur les fondements de la physique quantique, imposera une réflexion sur le concept des couches électroniques du modèle de Rutherford-Bohr qui aboutira à la conclusion que les couches KLMN sont composées de sous-couches spdf respectant le principe d’exclusion de Pauli . Une couche électronique est dite pleine lorsque toutes les orbites qui la composent contiennent 2 électrons de spin opposé.
Enfin, depuis 1940, le concept du « spin » s’est généralisé pour toutes les particules existantes, dont le noyau atomique. Ce concept est d’ailleurs à l’origine du principe utilisé dans les IRM et la RMN.
Le ferromagnétisme
Les domaines de Weiss
Nous venons donc de voir que le comportement ferromagnétique était dû à l’apparition d’un ordre magnétique déterminé par l’énergie d’échange entre moment magnétique atomique et dépendant de la distance interatomique et de la température.
D’un point de vue phénoménologique, cette énergie d’échange conduit à un couplage des moments magnétiques atomiques pouvant être perçu comme un macro-moment magnétique. Ce constat laisse donc à penser que tout matériau ferromagnétique est sensé avoir un moment magnétique moyen non-nul, et se comporter comme un aimant. Cependant, à l’échelle macroscopique, il est possible de trouver des matériaux ferromagnétiques nonaimantés. Ce constat mena Pierre Weiss en 1906 à proposer le modèle des domaines magnétiques (ou domaines de Weiss). Selon ce modèle, le volume d’un matériau ferromagnétique est divisé en plusieurs sous-volumes ayant une aimantation spontanée de direction différente, l’aimantation moyenne du matériau peut donc être nulle [4]. L’amplitude de cette aimantation dépend alors du nombre d’atomes ferromagnétiques contenus dans le sous-volume concerné. La justification de l’apparition de ces domaines magnétiques se trouve dans l’interaction dipolaire. Ce phénomène apparait pour minimiser l’énergie magnétique du matériau et tend à refermer les lignes de flux magnétiques dans la matière pour éviter la formation de pôles magnétiques.
En résumé, l’apparition de domaines magnétiques, dans les matériaux ferromagnétiques, peut être décrite par la compétition entre trois contributions énergétiques :
(i) L’énergie d’échange, qui tend à aligner les moments magnétiques voisins dans le matériau. Ce phénomène a une action à courte distance (entre proches voisins), et permet d’expliquer la présence d’une aimantation spontanée.
(ii) L’anisotropie magnétocristalline, qui apparait dans les matériaux ferromagnétiques cristallins et tend à aligner les moments magnétiques dans une direction cristallographique particulière nommée axe de facile aimantation.
(iii) L’interaction dipolaire, responsable de la fermeture des flux magnétiques internes au matériau.
La configuration mono-domaine
Nous venons de voir que la configuration multi-domaine était une configuration stable pour les matériaux ferromagnétiques et qu’elle était dictée par les interactions dipolaires. Cependant, à l’échelle nanométrique, il existe une taille d’objet pour laquelle la configuration en mono-domaine (un seul domaine) est énergiquement plus favorable que la configuration multi-domaine (au moins deux domaines fermant le flux magnétique du matériau). En 1949, Charles Kittel [7] montre ainsi théoriquement que pour une sphère dont le diamètre est inférieur à un diamètre critique dc, la configuration pour laquelle les moments magnétiques sont tous orientés dans la même direction [mono-domaine ] est énergiquement plus favorable qu’avec deux domaines orientés de manière antiparallèle . La valeur de ce diamètre critique dépend grandement des propriétés magnétiques du matériau ferromagnétique considéré.
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Table des matières
I)INTRODUCTION
II) GENERALITES
III) METHODOLOGIE
IV) RESULTATS
V) COMMENTAIRES ET DISCUSSION
VI) CONCLUSION
VII) REFERENCES
ANNEXES
RESUME
