FR2740278A1

FR2740278A1 - Magneto-optical modulator for high rate reading head

Info

Publication number: FR2740278A1
Application number: FR9512378A
Authority: FR
Inventors: Jean Claude Jacquet; Thierry Valet
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 1997-04-25
Anticipated expiration: 2015-10-20
Also published as: FR2740278B1

Abstract

The modulator includes a magneto-refractive component (2) placed in a magnetic field (3) generated by two coils (6). The amplitude and direction of the magnetic field can be modified by external commands. An incident light beam (1) is reflected by the surface of the magneto-refractive component. The intensity of the reflected beam (4) depends on the refractive coefficient of the component material. The magneto-refractive component structure includes a number of successive ferro and ferrimagnetic layers deposited on top of each other.

Description

MODULATEUR D'ONDE ELECTROMAGNETIQUE
L'invention conceme un modulateur d'onde électromagnétique et plus particulièrement un modulateur de faisceaux optiques ou hyperfréquences utilisant des propriétés magnétoréfractives de matériaux métalliques magnétiques hétérogènes.ELECTROMAGNETIC WAVE MODULATOR
The invention relates to an electromagnetic wave modulator and more particularly to an optical or microwave beam modulator using magnetoreactive properties of heterogeneous magnetic metal materials.

II est bien connu que de manière générale tous les matériaux magnétiquement ordonnées, et plus particulièrement ceux ayant une aimantation macroscopique spontanée (ferro ou ferrimagnétiques) présentent des effets magnétooptiques. On distingue généralement les effets du 1er ordre (linéaires par rapport à l'aimantation M) : effet Faraday en transmission, Kerr en réflexion (voir document Marvin J. Freiser, IEEE
Trans. Mag. MAT4, 152 (1968)); et du 2ème ordre (quadratique par rapport à l'aimantation M): L'effet Cotton-Mouton. Les premiers peuvent se décrire pour un faisceau se propageant le long de l'aimantation comme une biréfringence et un dichroïsme linéaire pour un faisceau se propageant perpendiculairement à l'aimantation.L'origine microscopique première de ces effets est la levée de dégénérescence en spin des niveaux électroniques, du fait de l'existence d'une aimantation spontanée (voir document P.N. Argyres, Phys. Rev. 97, 334 (1968)). On voit donc qu'ils constituent une caractéristique intrinsèque d'un matériau donné : élément pur, alliage ou composé.It is well known that in general all magnetically ordered materials, and more particularly those having spontaneous macroscopic magnetization (ferro or ferrimagnetic) have magnetooptical effects. The effects of the first order are generally distinguished (linear with respect to the magnetization M): Faraday effect in transmission, Kerr in reflection (see document Marvin J. Freiser, IEEE
Trans. Mag. MAT4, 152 (1968)); and 2nd order (quadratic with respect to magnetization M): The Cotton-Sheep effect. The first can be described for a beam propagating along the magnetization as a birefringence and a linear dichroism for a beam propagating perpendicular to the magnetization. The first microscopic origin of these effects is the spin degeneration electronic levels, because of the existence of spontaneous magnetization (see PN Argyres, Phys Rev. 97, 334 (1968)). We see that they constitute an intrinsic characteristic of a given material: pure element, alloy or compound.

Par conséquent, il n'apparaît généralement pas d'effet nouveau quand on dispose de tels matériaux en étroite proximité, éventuellement en alternance avec d'autres matériaux non magnétiques, dans des structures artificielles telles que des multicouches métalliques ou métal/diélectrique. Le comportement de tels empilements est alors bien décrit par un calcul de propagation d'onde optique dans un milieu multicouche, chacune des couches étant caractérisée par son épaisseur et par le tenseur diélectrique (tel que mesuré sur un échantillon macroscopique homogène) du matériau qui la constitue (voir document J. Zack et al, J. Magn. Magn. Mat. 89, 107 (1990)).Toutefois, si les dimensions typiques des entités ferromagnétiques deviennent comparables aux distances interatomiques, les effets de proximité sur la structure électronique peuvent devenir significatifs et affecter la valeur des constantes magnétooptiques (voir document W.R. Therefore, there is generally no new effect when such materials are available in close proximity, possibly alternating with other non-magnetic materials, in artificial structures such as metal or metal / dielectric multilayers. The behavior of such stacks is then well described by an optical wave propagation calculation in a multilayer medium, each of the layers being characterized by its thickness and by the dielectric tensor (as measured on a homogeneous macroscopic sample) of the material which (see document J. Zack et al, J Magn Magn 89, 107 (1990)) However, if the typical dimensions of the ferromagnetic entities become comparable to the interatomic distances, the proximity effects on the electronic structure can become significant and affect the value of the magnetooptical constants (see document WR

Bennet, W. Schwarzacher, and W.F. Egelhoff, Phys. Rev. Lett. 65, 3169 (1990); et document Y. Suzuki and T. Katayama, Mater, Res. Soc. Symp.Bennett, W. Schwarzacher, and W. F. Egelhoff, Phys. Rev. Lett. 65, 3169 (1990); and Y. Suzuki and T. Katayama, Mater, Res. Soc. Symp.

Proc. 313,153 (1993)).Proc. 313, 153 (1993)).

C'est pourquoi, I'invention concerne un dispositif comportant un matériau de caractéristiques qui diffèrent par rapport à ceux qui viennent d'être décrits de façon à présenter un effet physique différent sur une onde électromagnétique qui est incidente sur ce matériau. Therefore, the invention relates to a device comprising a material of characteristics which differ from those just described so as to have a different physical effect on an electromagnetic wave which is incident on this material.

L'invention conceme donc un modulateur d'onde électromagnétique comprenant:
- un élément en matériau comportant des entités
ferromagnétiques ou ferrimagnétiques conductrices séparées
par un matériau conducteur non ferromagnétique ni
ferrimagnétique, la distance entre deux entités voisines étant
l'ordre de grandeur ou inférieur au libre parcours moyen
électronique;
- ainsi que des moyens pour induire un champ magnétique dans
ledit élément.The invention thus relates to an electromagnetic wave modulator comprising:
- a material element with entities
ferromagnetic or ferrimagnetic conductors separated
by a non-ferromagnetic conductive material
ferrimagnetic, the distance between two neighboring entities being
the order of magnitude or less than the average free path
electronic;
- as well as means for inducing a magnetic field in
said element.

Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent:
- les figures 1a, lb, des structures de matériaux conducteurs
hétérogènes utilisés dans le cadre de l'invention;
- les figures 2a, 2b, des structures hétérogènes à grains, à
aimantations spontanées parallèles et antiparallèles;
- la figure 3, un exemple de modulateur selon l'invention
fonctionnant en réflexion;
- la figure 4, une variante du modulateur selon l'invention
fonctionnant en transmission;
- la figure 5, un modulateur selon l'invention comportant des
couches d'adaptation optiques;
- les figures 6a, 6b, un exemple de transducteur magnétoréfractif
comportant différents types de matériaux ferromagnétiques ou
ferrimagnétiques;;
- les figures 7a à 7c, différents types d'orientations des
aimantations spontanées des couches de matériaux
magnétiques;
- les figures 8a à 8c, différents types d'orientations des
aimantations spontanées de matériaux granulaires;
- les figures 9a à 9b, un exemple d'utilisation des éléments
magnétorêfractifs comme pôle de lecture de tête magnétique.The different objects and features of the invention will appear more clearly in the description which follows and in the appended figures which represent:
FIGS. 1a, 1b, conductive material structures
heterogeneous used in the context of the invention;
FIGS. 2a, 2b, heterogeneous structures with grains, with
spontaneous parallel and antiparallel magnetizations;
FIG. 3, an example of a modulator according to the invention
functioning in reflection;
FIG. 4, a variant of the modulator according to the invention
operating in transmission;
FIG. 5, a modulator according to the invention comprising
optical matching layers;
FIGS. 6a and 6b, an example of a magnetoreactive transducer
with different types of ferromagnetic materials or
ferrimagnetic ;;
FIGS. 7a to 7c, different types of orientations of the
spontaneous magnetizations of layers of materials
magnetic;
- Figures 8a to 8c, different types of orientations of
spontaneous magnetizations of granular materials;
FIGS. 9a to 9b, an example of use of the elements
Magnetorêfractifs as magnetic reading pole.

L'invention est basée sur l'utilisation de matériaux métalliques magnétiques hétérogènes. The invention is based on the use of heterogeneous magnetic metal materials.

C'est-à-dire des solides conducteurs dans lesquels existent des entités magnétiquement ordonnées distinctes, pouvant exhiber des désorientations relatives de leurs aimantations spontanées, et entre lesquelles une conduction du courant est possible (soit par contact direct au travers des interfaces, ou par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs milieux conducteurs les reliant). Deux cas particuliers importants qui rentrent dans cette catégorie générale sont ceux des multicouches et des matériaux granulaires tels que représentés en figures la et I b. That is, conducting solids in which there exist distinct magnetically ordered entities, which can exhibit relative disorientations of their spontaneous magnetizations, and between which conduction of the current is possible (either by direct contact through the interfaces, or by through one or more conductive media connecting them). Two important special cases which fall into this general category are those of multilayers and granular materials as represented in FIGS. 1a and 1b.

La figure la représente un matériau multicouches constitué d'une altemance de couches L1 en matériau conducteur ferromagnétique ou ferrimagnétique et de couches L2 en matériau conducteur non magnétique ou éventuellement non ferromagnétique. Les couches L1 peuvent être à aimantation parallèle ou à aimantation antiparallèle. La distance entre deux couches LI en matériau conducteur ferromagnétique ou ferrimagnétique est de l'ordre de grandeur ou inférieur au libre parcours moyen électronique dans le matériau de la couche L2 comprise entre les deux couches L1. FIG. 1a shows a multilayer material consisting of an alternation of layers L1 made of ferromagnetic or ferrimagnetic conductive material and layers L2 of non-magnetic or possibly non-ferromagnetic conductive material. L1 layers may be parallel magnetization or antiparallel magnetization. The distance between two layers LI of ferromagnetic or ferrimagnetic conductive material is of the order of magnitude or less than the electronic mean free path in the material of the layer L2 between the two layers L1.

Typiquement, cette distance est comprise entre 1 et 100 nm.Typically, this distance is between 1 and 100 nm.

La figure lb représente un matériau granulaire comportant des grains tels que G3 en matériau conducteur ferromagnétique ou ferrimagnétique noyés dans un matériau conducteur M4 non magnétique (ou éventuellement non ferromagnétique). De préférence, la distance moyenne entre deux grains tels que G3 voisins est de l'ordre de grandeur ou inférieur au libre parcours moyen électronique dans le matériau conducteur M4. FIG. 1b shows a granular material comprising grains such as G3 made of ferromagnetic or ferrimagnetic conductive material embedded in a non-magnetic (or possibly non-ferromagnetic) M4 conductive material. Preferably, the average distance between two grains such as neighboring G3 is of the order of magnitude or less than the electronic mean free path in the conductive material M4.

On montrera dans ce qui suit que si l'échelle des inhomogénéités n'est pas grande devant le libre parcours moyen électronique, alors on observe une variation indépendante de l'état de polarisation de l'onde lumineuse, de la constante diélectrique du matériau (ce qui est sans relation avec les effets magnétooptiques connus, qui comme on l'a rappelé plus haut se traduisent par l'existence d'une biréfringence ou d'un dichroïsme) par rapport à sa structure d'aimantation. On entend par structure d'aimantation l'orientation relative des aimantations spontanées des entités magnétiques (couches minces ou grains) le constituant en tout ou partie. Sachant qu'en général on pourra modifier cette orientation des aimantations en appliquant un champ magnétique.Cette variation d'indice est donc constitutive d'un effet magnétooptique nouveau que l'on propose de dénommer : effet magnétoréfractif. It will be shown in the following that if the scale of inhomogeneities is not great compared to the electronic mean free path, then we observe a variation independent of the polarization state of the light wave, the dielectric constant of the material ( which is unrelated to the known magnetooptical effects, which, as mentioned above, results in the existence of a birefringence or a dichroism) with respect to its magnetization structure. By magnetization structure is meant the relative orientation of the spontaneous magnetizations of the magnetic entities (thin layers or grains) constituting all or part of it. Knowing that in general we can modify this orientation of the magnetizations by applying a magnetic field. This variation of index is thus constitutive of a new magneto-optical effect that we propose to name: magnetorefractive effect.

II est bien connu que dans un métal la réponse des électrons de conduction à un champ électromagnétique est non locale, en ce sens que l'accélération induite au point xo par un champ électrique harmonique E(xO)exp(ixt) est relaxée sur une distance finie, égale au libre parcours moyen électronique A. La loi d'Ohm se généralise alors de manière formelle en introduisant une conductivité à deux points a2 (x, xO; o) reliant courant et champ (voir document G.E.H. Reuter and E.H. Sondheimer, Proc. R. Soc. It is well known that in a metal the response of conduction electrons to an electromagnetic field is non-local, in that the acceleration induced at point xo by a harmonic electric field E (xO) exp (ixt) is relaxed on a finite distance, equal to the mean free electron path A. Ohm's law is then formally generalized by introducing a two-point conductivity a2 (x, xO; o) connecting current and field (see document GEH Reuter and EH Sondheimer, Proc R. Soc.

London Sect. A 195, 336 (1948)):
J(x) = Jo2(xXxO;X) E(Xo)dxo (1)
où o2(x,xO; oye), prise comme une fonction de x pour un xo donné, n'est non négligeable que dans un volume de rayon comparable à A et centré sur xo. Si le champ électrique est lentement variable à l'échelle de A, il est clair d'après (1) que l'on peut à nouveau définir une conductivité locale axe o) qui vaut:
o(x;o)=la2(xxo;O) dxo (2)
On dira alors, pour le cas ici considéré d'une onde optique se propageant dans un milieu métallique, que l'on se trouve dans une situation d'effet de peau "normal". Pour un rayonnement visible ou infrarouge on ne s'écarte de ce comportement limite que pour des métaux très purs et à basse température. Le caractère non local sous-jacent a toutefois des conséquences importantes si le matériau est hétérogène à une échelle Lh comparable à A. Dans ce cas a(x; ) sera en général très différente de la conductivité o(o) d'un échantillon macroscopique homogène qui aurait les propriétés observées localement au point x.Dans la limite extrême Lh '' A, et à titre d'exemple pour un matériau à deux constituants A et B se distinguant par des temps de relaxation TA et TB différents, tout va se passer comme si le matériau était homogène avec une conductivité effective seff(O) s'écrivant (on applique la règle de Matthiessen, à savoir que les probabilités de collisions supposées non corrélées s'ajoutent):

London Sect. A 195, 336 (1948)):
J (x) = Jo2 (xXxO; X) E (Xo) dxo (1)
where o2 (x, xO; oye), taken as a function of x for a given xo, is not insignificant except in a volume of radius comparable to A and centered on xo. If the electric field is slowly variable at the scale of A, it is clear from (1) that we can again define a local conductivity axis o) which is:
o (x; o) = la2 (xxo; O) dxo (2)
We will then say, for the case considered here of an optical wave propagating in a metallic medium, that one is in a situation of "normal" skin effect. For visible or infrared radiation, this limiting behavior deviates only for very pure metals and at low temperature. The underlying non-local character, however, has important consequences if the material is heterogeneous on a scale Lh comparable to A. In this case a (x;) will in general be very different from the conductivity o (o) of a macroscopic sample. homogeneous which would have the properties observed locally at the point x.In the extreme limit Lh '' A, and as an example for a material with two components A and B differing in relaxation times TA and TB different, everything goes pass as if the material was homogeneous with an effective conductivity seff (O) Writing (one applies the Matthiessen rule, namely that the probabilities of supposedly uncorrelated collisions are added):

où n est la densité volumique d'électrons, e la charge d'un électron, m* leur masse effective, et p la fraction volumique p =VA/(VA+Vg) (on a négligé ici tout "offset" de bas de bande entre A et B, ainsi que d'éventuelles diffusions des électrons aux interfaces) VA et Vg étant les volumes respectifs occupés par les éléments A et B.Le caractère non local de la conductivité introduit donc un effet d'homogénéisation à l'échelle du libre parcours moyen aboutissant à un comportement de milieu effectif. La constante diélectrique associée Serf, égale au carré de l'indice de réfraction
Neff, vaut alors:

where n is the volume density of electrons, e the charge of an electron, m * their effective mass, and p the volume fraction p = VA / (VA + Vg) (we have neglected here any "offset" of bottom of band between A and B, as well as possible scattering of electrons at the interfaces) VA and Vg being the respective volumes occupied by the elements A and B. The non-local character of the conductivity thus introduces a homogenization effect at the scale the average free path leading to an effective medium behavior. The associated dielectric constant Serf, equal to the square of the refractive index
Neff, then worth:

où op=(ne2/Eom')llZ est la pulsation "plasma" (supposée identique pour A et B dans le cadre de ce cas), et avec E enff(co) qui traduit les contributions provenant des transitions interbandes et celles dues à la polarisation des électrons de coeur. II est important de noter que ce dernier terme est habituellement dominé par la réponse des électrons libres dans le visible et que cela devient d'autant plus vrai que la longueur d'onde augmente. where op = (ne2 / Eom ') llZ is the "plasma" pulsation (assumed to be identical for A and B in the context of this case), and with E enff (co) which translates the contributions from the interband transitions and those due to the polarization of the heart electrons. It is important to note that the latter term is usually dominated by the response of free electrons in the visible and that this becomes all the more true as the wavelength increases.

Si l'on souhaite étendre les résultats ciaessus au cas qui nous intéresse, à savoir celui d'un matériau métallique magnétique hétérogène, il convient de rappeler quelques données fondamentales concernant le transport dans les métaux et alliages métalliques magnétiques.Dans un matériau métallique présentant une aimantation spontanée M, la conduction n'est en général pas équivalente suivant que l'on considère les électrons de spin parallèle ou antiparallèle à M (que l'on notera t ou J,). En effet, la levée de dégénérescence en spin des états électroniques associée à l'ordre magnétique conduit à des relations de dispersion etlou à des temps de relaxation distincts entre ces deux catégories de porteurs. II convient donc de décrire la réponse d'un tel matériau à champ électromagnétique extérieur dans le cadre d'un modèle à deux courants en parallèle: Jt et J. On a donc::

If we wish to extend the above results to the case we are interested in, namely that of a heterogeneous magnetic metallic material, it is necessary to recall some basic data concerning the transport in magnetic metals and metal alloys. spontaneous magnetization M, the conduction is generally not equivalent according to whether one considers the spin electrons parallel or antiparallel to M (which one will note t or J,). Indeed, the spin degeneracy removal of the electronic states associated with the magnetic order leads to dispersion relations and / or to distinct relaxation times between these two categories of carriers. It is therefore appropriate to describe the response of such an external electromagnetic field material in the context of a model with two currents in parallel: Jt and J. We therefore have ::

En tout rigueur, il existe en général un terme de couplage entre ces deux courants (due aux collisions avec changement de direction du spin). En première approximation, il ne fait que réduire le contraste de conductivité entre les deux courants, et on supposera donc son effet inclus par une renormalisation du coefficient ad hoc. Si de plus le matériau est hétérogène, il faut introduire un axe de quantification global suivant lequel on distinguera des états de spin + ou - et donc des courants J+ et J, en sus d'un axe local colinéaire à l'aimantation. Ce dernier étant à priori différent dans chacune des entités magnétiques du matériau.Si on considère que les aimantations spontanées des entités magnétiques ne peuvent être que parallèles (voir figure 2a) ou antiparallèles (voir figure 2b) à une direction donnée (évidemment prise comme direction de quantification globale), et si toutes les entités magnétiques sont identiques et que les spins majoritaires et minoritaires (respectivement antiparallèles et parallèles à l'aimantation) ne se distinguent que par leurs temps de relation T et Tt, on a pour une entité donnée:

si 1' aimantation est " positive", et

dans le cas contraire
Si l'on suppose de plus que la résistivité du matériau est dominée par les collisions au sein des entités magnétiques, une nouvelle application de la règle de Matthiessen nous donne alors::

In all rigor, there is generally a term of coupling between these two currents (due to collisions with change of spin direction). As a first approximation, it only reduces the conductivity contrast between the two currents, and so we assume its effect included by a renormalization of the ad hoc coefficient. If moreover the material is heterogeneous, it is necessary to introduce a global axis of quantification according to which one will distinguish states of spin + or - and thus currents J + and J, in addition to a local axis collinear with the magnetization. The latter being a priori different in each of the magnetic entities of the material.If it is considered that the spontaneous magnetizations of the magnetic entities can be only parallel (see Figure 2a) or antiparallel (see Figure 2b) to a given direction (obviously taken as direction of global quantification), and if all the magnetic entities are identical and the majority and minority spins (respectively antiparallel and parallel to the magnetization) are distinguished only by their relationship times T and Tt, we have for a given entity:

if the magnetization is "positive", and

on the other hand
Assuming moreover that the resistivity of the material is dominated by collisions within the magnetic entities, a new application of the Matthiessen rule then gives us ::

avec Ms l'aimantation à saturation du matériau, et M l'aimantation moyenne calculée sur une sphère (ou une "tranche" dans le cas d'une multicouche) de rayon A, qui s'identifie à l'aimantation macroscopique du matériau puisque l'on a fait l'hypothèse qu'un tel volume englobe un très grand nombre d'entités magnétiques. Considérant alors les équations (3) à (6), on obtient:

avec

le temps de relaxation "moyen", et ss = (Tt - Ti)/(t ) le paramètre d'asymétrie en spin (- I < ss +1). with Ms the saturation magnetization of the material, and M the mean magnetization calculated on a sphere (or a "slice" in the case of a multilayer) of radius A, which identifies with the macroscopic magnetization of the material since it has been hypothesized that such a volume encompasses a very large number of magnetic entities. Considering equations (3) to (6), we obtain:

with

the "mean" relaxation time, and ss = (Tt - Ti) / (t) the spin asymmetry parameter (- I <ss +1).

On voit donc bien apparaître une variation, indépendante de l'état de polarisation de l'onde lumineuse, de la constante diélectrique du matériau vis-à-vis du degré de corréiation existant à l'échelle du libre parcours moyen entre les aimantations des entités ("grains" ou couches minces) le constituant. We therefore see a variation, independent of the polarization state of the light wave, of the dielectric constant of the material vis-à-vis the degree of correlation existing at the level of the mean free path between the magnetizations of the entities. ("grains" or thin layers) constituting it.

II s'agit d'un effet magnétooptique nouveau l'effet magnétoréfractif. This is a magneto-optical effect again the magnetorefractive effect.

Cet effet permet de réaliser des fonctions de modulation d'intensité de faisceaux optiques ou hyperfréquences, commandées par un champ magnétique extérieur. Ceci permet de concevoir des modulateurs large bande (depuis les ultra violet jusqu'aux hyperfréquences) présentant simultanément un faible encombrement, une faible consommation, une grande durée de vie, et des fréquences de modulation élevées. L'ensemble de ces avantages n'est généralement pas réunis dans les modulateurs existants: acousto-optique, électro-optique, magnéto-optique. This effect makes it possible to perform intensity modulation functions of optical or microwave beams, controlled by an external magnetic field. This makes it possible to design broadband modulators (from ultraviolet to microwave) simultaneously having a small footprint, low power consumption, long life, and high modulation frequencies. All of these advantages are generally not brought together in existing modulators: acousto-optical, electro-optical, magneto-optical.

La figure 3 représente un exemple de réalisation d'un modulateur selon l'invention. Ce modulateur est représenté pour fonctionner en réflexions c'est-à-dire qu'un faisceau incident I se réfléchit en totalité ou partiellement sur l'élément magnétoréfractif 2 selon la direction du faisceau
Fr.FIG. 3 represents an exemplary embodiment of a modulator according to the invention. This modulator is shown to operate in reflections, that is to say that an incident beam I is reflected wholly or partially on the magnetorefractive element 2 according to the direction of the beam
Fr.

Celui-ci est plongé dans un champ magnétique 3, produit dans l'exemple non limitatif considéré ici par un jeu de bobines 6 ou par tout autre moyen connu de l'homme de l'art, dont l'amplitude ou l'orientation peuvent être modifiées par une commande extérieure. Ces modifications ont pour conséquence une variation de l'intensité du faisceau réfléchi 4, en raison de la variation d'indice du milieu de l'élément 2 constitutive de l'effet magnétorésistif. This is immersed in a magnetic field 3, produced in the nonlimiting example considered here by a set of coils 6 or by any other means known to those skilled in the art, whose amplitude or orientation can be modified by an external order. These modifications result in a variation of the intensity of the reflected beam 4, due to the variation in the index of the medium of the element 2 constituting the magnetoresistive effect.

La lumière non réfléchie est absorbée par l'élément 2 etlou transmise selon la direction du faisceau Ft. The non-reflected light is absorbed by the element 2 and / or transmitted along the direction of the beam Ft.

La figure 4 représente un modulateur fonctionnant en transmission. Ce modulateur est identique au précédent excepté qu'ici le faisceau modulé est celui transmis à travers l'élément magnétoréfractif, qui dans ce cas est préférentiellement une couche "mince" telle que son épaisseur permette une transmission significative de la puissance incidente. Figure 4 shows a modulator operating in transmission. This modulator is identical to the preceding except that here the modulated beam is the one transmitted through the magnetoreactive element, which in this case is preferably a "thin" layer such that its thickness allows a significant transmission of the incident power.

Le champ magnétique 3 induit dans les éléments 2 des modulateurs des figures 3 et 4 est dirigé selon une direction contenue dans le plan des éléments 2. Il s'agit d'une réalisation préférentielle et plus efficace mais dans d'autres réalisations ce champ pourrait être dirigé selon une direction non parallèle au plan des éléments 2. The magnetic field 3 induced in the elements 2 modulators of Figures 3 and 4 is directed in a direction contained in the plane of the elements 2. This is a preferred embodiment and more effective but in other embodiments this field could be directed in a direction not parallel to the plane of the elements 2.

En application de ce qui précède, selon l'invention, I'élément magnétoréfractif 2 est réalisé dans un matériau métallique magnétique hétérogène, constitué d'entités métalliques ferro ou ferrimagnétiques (couches minces ou grains) pouvant être elles-mêmes hétérogènes mais possédant une aimantation moyenne d'orientation définie. Ces entités sont reliées électriquement entre elles par des couches minces ou une matrice métallique non ferromagnétique assurant une probabilité non nulle qu'un électron puisse connaître une trajectoire balistique (sans collisions) en passant entre au moins certains des couples d'entités adjacentes.Ce matériau présente en présence d'un champ magnétique extérieur une variation de la constante diélectrique (dans une certaine gamme de longueur d'onde prise dans le domaine ultraviolet, visible, infrarouge ou hyperfréquence) résultant d'une réorientation, brutale ou progressive, partielle ou totale, pour une certaine valeur critique de ce champ, le long de celui, des aimantations attachées aux entités magnétiques les constituant : c'est-à-dire un effet magnétoréfractif tel qu'il a été décrit ci-dessus. According to the foregoing, according to the invention, the magnetorefractive element 2 is made of a heterogeneous magnetic metal material, consisting of ferro or ferrimagnetic metallic entities (thin layers or grains) which may themselves be heterogeneous but possess a magnetization. defined orientation average. These entities are electrically interconnected by thin layers or a non-ferromagnetic metal matrix ensuring a non-zero probability that an electron can know a ballistic trajectory (without collisions) by passing between at least some of the pairs of adjacent entities. present in the presence of an external magnetic field a variation of the dielectric constant (in a certain wavelength range taken in the ultraviolet, visible, infrared or microwave range) resulting from a reorientation, sudden or progressive, partial or total for a certain critical value of this field, along that, magnetizations attached to the magnetic entities constituting them: that is to say a magnetorefractive effect as described above.

Les entités métalliques magnétiques peuvent être des couches minces, déposées (par des techniques telles que la pulvérisation cathodique, I'épitaxie par jet moléculaire, I'électro-plating ...) en altemance avec des couches minces métalliques non ferromagnétiques tels que dans le dispositif de la figure la. The magnetic metal entities may be thin layers deposited (by techniques such as sputtering, molecular jet epitaxy, electroplating, etc.) alternatively with non-ferromagnetic metal thin layers such as in the device of Figure la.

Les couches métalliques magnétiques obtenues peuvent être d'un même matériau ou de matériaux différents, typiquement des métaux de transitions magnétiques (Fe, Ni, Co) ou des alliages magnétiques dont au moins un des constituants est un métal de transition. The magnetic metal layers obtained may be of the same material or of different materials, typically metals of magnetic transitions (Fe, Ni, Co) or magnetic alloys of which at least one of the constituents is a transition metal.

Les couches métalliques non magnétiques sont d'un même matériau ou de matériaux différents, par exemple des métaux nobles (Cu,
Au, Ag) ou des métaux de transitions non ferromagnétiques (Cr, Mn, Al ...) et leurs alliages.The non-magnetic metal layers are of the same material or of different materials, for example noble metals (Cu,
Au, Ag) or non-ferromagnetic transition metals (Cr, Mn, Al ...) and their alloys.

Comme cela est représenté en figure 6a, les différentes couches métalliques magnétiques (respectivement non magnétiques) se succèdent de manière aléatoire. As shown in FIG. 6a, the different magnetic (respectively non-magnetic) metal layers follow one another randomly.

Elles peuvent également se succéder de manière périodique (figure 6b). They can also succeed one another periodically (Figure 6b).

Les différentes couches magnétiques présentent chacune une aimantation en champ nul dont la direction peut être aléatoire (par exemple en raison d'une anisotropie aléatoire) (voir figure 7a). The different magnetic layers each have a zero field magnetization whose direction may be random (for example due to random anisotropy) (see FIG. 7a).

On peut également prévoir que les aimantations d'une partie des couches magnétiques adoptent en champ nul une disposition aléatoire et que les aimantations de l'autre partie soient figées dans une direction bien définie et tel qu'en moyenne il existe sur quelques libres parcours moyens électroniques autant de couches d'une catégorie que de l'autre (figure 7b). It can also be expected that the magnetizations of a portion of the magnetic layers adopt in a null field a random arrangement and that the magnetizations of the other part are fixed in a well defined direction and such that on average it exists on some free average paths as many layers of one category as the other (Figure 7b).

Selon une autre variante, les aimantations des couches métalliques magnétiques adoptent en champ nul une disposition relative bien définie (altemativement parallèle et antiparallèle à une direction donnée, formant une hélice de pas donné commensurable ou non ...) en raison d'un phénomène de couplage d'échange eVou de couplage magnétostatique etlou en raison d'une différence de coercivité etlou en raison d'anisotropies magnétocristallines présentes etlou en raison d'une anisotropie d'échange induite par des couches adjacentes antiferromagnétiques (figure 7c). According to another variant, the magnetizations of the magnetic metal layers adopt in a null field a well-defined relative disposition (alternatively parallel and antiparallel to a given direction, forming a given pitch helix commensurable or not ...) due to a phenomenon of exchange coupling eVou magnetostatic coupling and / or due to a difference in coercivity and / or due to magnetocrystalline anisotropies present and / or due to exchange anisotropy induced by adjacent antiferromagnetic layers (Figure 7c).

Comme on l'a décrit précédemment en se reportant aux figures 1 b, 2a et 2b, I'élément magnétoréfractif 2 peut être réalisé sous la forme d'un matériau dont les entités magnétiques sont des particules ou des grains noyés dans une matrice non magnétique. Ces matériaux connus sous le nom de matériaux granulaires peuvent être réalisés par des techniques de projection de jet de métal fondu (Cu et Co par exemple) sur une roue de cuivre toumante de façon à obtenir un refroidissement rapide du métal projeté. On obtient ainsi une bande de cuivre contenant des grains de cobalt. Cette technique est appelée SPLASH-ROLLING dans la terminologie anglo-saxonne. D'autres techniques de coévaporation ou de copulvérisation peuvent être utilisées. As previously described with reference to FIGS. 1b, 2a and 2b, the magnetorefractive element 2 can be made in the form of a material whose magnetic entities are particles or grains embedded in a non-magnetic matrix . These materials known as granular materials can be made by molten metal jet projection techniques (Cu and Co for example) on a rotating copper wheel so as to obtain rapid cooling of the projected metal. A copper strip containing cobalt grains is thus obtained. This technique is called SPLASH-ROLLING in the Anglo-Saxon terminology. Other coevaporation or copulverisation techniques may be used.

Les particules magnétiques peuvent être toutes d'un même matériau ou de différents matériaux. The magnetic particles can all be of the same material or different materials.

Comme pour l'élément 2 réalisé en couches minces, les aimantations des particules métalliques magnétiques adoptent en champ nul une disposition aléatoire, soit dans l'espace (par exemple en raison d'une anisotropie aléatoire induite par des formes eUou des tailles eUou des structures magnétocristallines aléatoires), soit dans le temps (par exemple si les particules métalliques magnétiques sont superparamagnétiques) (cas de particules ferromagnétiques très petites dont l'aimantation fluctue dans le temps) (figure 8a). As for the element 2 made in thin layers, the magnetizations of the magnetic metal particles adopt in a null field a random arrangement, either in space (for example due to a random anisotropy induced by shapes and sizes and / or structures random magnetocrystallines), ie over time (for example, if the magnetic metal particles are superparamagnetic) (in the case of very small ferromagnetic particles whose magnetization fluctuates over time) (FIG. 8a).

Les aimantations d'une partie des particules métalliques magnétiques peuvent adopter en champ nul une disposition aléatoire tandis que les aimantations de l'autre partie de particules sont figées dans une direction bien définie et ce en raison d'une différence de forme eUou de tailles etlou de structure magnétocristalline eUou de nature du matériau et tel qu'en moyenne il existe sur quelques libres parcours moyens électroniques autant de particules d'une catégorie que de l'autre (figure 8b). The magnetizations of a part of the magnetic metal particles can adopt in a zero field a random arrangement while the magnetizations of the other part of particles are fixed in a well-defined direction and because of a difference in shape and / or size and / or of magnetocrystalline structure eUou nature of the material and such that on average it exists on some free electronic means as many particles of one category than the other (Figure 8b).

Egalement, les aimantations des particules métalliques magnétiques peuvent adopter en champ nul une disposition relative bien définie entre elles, en raison d'un phénomène de couplage d'échange etlou de couplage magnétostatique etlou en raison d'une différence de coercivité etlou en raison d'anisotropies magnétocristalline (figure 8c). Also, the magnetizations of the magnetic metal particles can adopt in a zero field a relative definite arrangement between them, due to a phenomenon of coupling coupling and / or magnetostatic coupling and / or due to a difference in coercivity and / or because of magnetocrystalline anisotropies (Figure 8c).

Selon l'invention, I'application d'un champ magnétique à l'élément 2, réalisé sous forme de couches minces ou de matériau granulaire, induit progressivement ou brusquement, pour une certaine valeur critique de ce champ, une orientation moyenne des aimantations le long de la direction du champ appliqué. Ceci provoque une variation de l'indice de réfraction de l'élément 2. According to the invention, the application of a magnetic field to the element 2, produced in the form of thin layers or granular material, progressively or abruptly induces, for a certain critical value of this field, an average orientation of the magnetizations on along the direction of the applied field. This causes a variation of the refractive index of element 2.

La figure 5 représente une variante de réalisation du modulateur selon l'invention. Ce modulateur comporte une ou des couches d'adaptation optique accolées à l'élément 2. Selon l'exemple de la figure 5, I'élément 2 est enserré entre une couche semi-réfléchissante 7 et une couche de réflexion 7'. FIG. 5 represents an alternative embodiment of the modulator according to the invention. This modulator comprises one or more optical matching layers contiguous to the element 2. According to the example of FIG. 5, the element 2 is sandwiched between a semi-reflecting layer 7 and a reflection layer 7 '.

L'épaisseur de la couche 7 est sensiblement égale à la moitié de la longueur de l'onde incidente li de façon que l'onde Irl réfléchie par la couche 7 et l'onde lr2 réfléchie par l'élément 2 interfèrent de manière soustractive. The thickness of the layer 7 is substantially equal to half the length of the incident wave li so that the wave Ir1 reflected by the layer 7 and the wave Ir2 reflected by the element 2 subtractively interfere.

Les figures 9a et 9b représentent une variante de l'invention, où l'élément magnétoréfractif est utilisé comme pole de lecture dans une tête de lecture magnétique. Figures 9a and 9b show a variant of the invention, wherein the magnetorefractive element is used as reading pole in a magnetic reading head.

Selon le dispositif de la figure 9a, la tête magnétique est constituée d'une couche magnétique P1 et d'une couche magnétoréfractive
P2 selon l'invention, séparées par une couche non magnétique d'entrefer G.According to the device of FIG. 9a, the magnetic head consists of a magnetic layer P1 and a magnetoreactive layer
P2 according to the invention, separated by a non-magnetic gap layer G.

Une telle tête magnétique permet de lire un support magnétique MA qui se déplace à proximité de l'extrémité E de la tête. Le flux magnétique + lu sur le support circule dans les couches P1 et P2 de la tête magnétique selon les flèches indiquées sur la figure 9a. La valeur du flux magnétique peut être détectée par exemple à l'aide d'un faisceau optique de lecture F. Ce faisceau est réfléchi ou diffracté par la couche magnétoréfractive et des moyens non représentés permettent de mesurer l'intensité du faisceau F par exemple qui est réfléchi. Le faisceau F est transmis vers le pôle P2 par un bloc optique BO transparent. Ce bloc optique BO permet une transmission du faisceau F à proximité du support magnétique MA à la suite d'une réflexion sur une face M du bloc optique. Such a magnetic head makes it possible to read a magnetic support MA which moves near the end E of the head. The magnetic flux + lu on the support flows in the layers P1 and P2 of the magnetic head according to the arrows indicated in FIG. 9a. The value of the magnetic flux can be detected for example by means of a reading optical beam F. This beam is reflected or diffracted by the magnetoreactive layer and means not shown can measure the intensity of the beam F for example which is reflected. The beam F is transmitted to the pole P2 by a transparent optical block BO. This optical block BO allows transmission of the beam F near the magnetic support MA after reflection on a face M of the optical block.

La figure 9b représente une variante de réalisation d'une tête magnétique de lecture selon l'invention. Elle comporte deux couches magnétiques P3, P4 constituant les pôles magnétiques de la tête. Les pôles
P3, P4 sont séparés par un entrefer G. Les pôles P3, P4 sont situés sur une couche de matériau non magnétique IS laquelle est située sur une couche de matériau magnétoréfractif MR selon l'invention. L'ensemble est porté par un substrat diélectrique. Un support d'enregistrement magnétique MA se déplaçant devant les pôles magnétiques P3, P4 donne lieu à une circulation d'un flux magnétique, par les pôles P3, P4 dans la couche magnétoréfractive
MR. Un faisceau optique F dirigé vers cette couche fera donc l'objet d'une réflexion qui sera fonction du champ magnétique auquel est soumis la couche MR. Un tel système permet donc de lire des informations magnétiques à l'aide de moyens non représentés qui mesurent l'intensité du faisceau F' réfléchi. FIG. 9b represents an alternative embodiment of a magnetic read head according to the invention. It comprises two magnetic layers P3, P4 constituting the magnetic poles of the head. The poles
P3, P4 are separated by an air gap G. Poles P3, P4 are located on a layer of non-magnetic material IS which is located on a layer of MR magnetizable material according to the invention. The assembly is carried by a dielectric substrate. A magnetic recording medium MA moving in front of the magnetic poles P3, P4 gives rise to a circulation of a magnetic flux, by the poles P3, P4 in the magnetoreactive layer
MR. An optical beam F directed towards this layer will therefore be subject to a reflection which will be a function of the magnetic field to which the MR layer is subjected. Such a system therefore makes it possible to read magnetic information using means that are not represented and which measure the intensity of the reflected beam F '.

Claims

An electromagnetic wave modulator comprising:

an element (2) made of material comprising entities

ferromagnetic or ferrimagnetic conductors separated

by a non-magnetic conductive material or not

ferromagnetic, the distance between two neighboring entities being

the order of magnitude or less than the average free path

electronic;

- and means (6) for inducing a magnetic field

in said element.

2. Modulator according to claim 1, characterized in that said element has a magnetorefractive effect.

3. Modulator according to claim 2, characterized in that the element (2) is made in a thin layer.

4. Modulator according to claim 3, characterized in that the magnetorefractive element (2) is made of a heterogeneous magnetic metal material, consisting of ferro or ferrimagnetic metallic entities (thin layers or grains) which may themselves be heterogeneous but possess an average magnetization of defined orientation, electrically interconnected by thin layers or a non-ferromagnetic metal matrix ensuring a non-zero probability that an electron can experience a ballistic trajectory (without collisions) by passing between at least some of the pairs of adjacent entities, and having in the presence of an external magnetic field a variation of the dielectric constant.

5. Modulator according to claim 4, characterized in that the magnetic metal entities are thin films alternated with non-magnetic metal layers.

6. Modulator according to claim 5, characterized in that the magnetic metal layers are of the same material or different materials based on metals of magnetic transitions such as Fe, Ni, eVou Co.

7. Modulator according to claim 5, characterized in that the non-magnetic metal layers are of the same material or different materials.

8. Modulator according to claim 5, characterized in that the different magnetic metal layers follow one another periodically or randomly.

9. Modulator according to claim 1, characterized in that the magnetizations of the entities (2) adopt random field in zero field.

10. Modulator according to claim 1, characterized in that the magnetizations of a part of the entities adopt random field in random field and the magnetizations of the other parts are fixed in a well-defined direction.

11. Modulator according to claim 1, characterized in that the magnetizations of the entities adopt in zero field well defined provisions parallel to a given direction by a part of the entities and antiparallel for the other entities.

12. Modulator according to claim 5, characterized in that the thin magnetic metal films adopt in the zero field well-defined devices, alternately parallel and antiparallel to a given direction or forming a helix of a given pitch.

13. Modulator according to claim 1, characterized in that the application of a magnetic field by the induction means (6) induces progressively or abruptly, for a critical value of this field, a mean orientation of the magnetizations according to the direction of this field and causes a variation of the refractive index of the element (2).

14. Modulator according to claim 1, characterized in that the magnetic conductive entities are particles embedded in a non-magnetic conductive matrix.

15. Modulator according to claim 3, characterized in that it comprises one or more optical matching layers (7, 7 ') contiguous to the element (2) to optimize the modulation merit factor.

16. Modulator according to claim 15, characterized in that the element (2) is sandwiched between a reflection layer and a layer of thickness substantially equal to half the length of the electromagnetic wave to be treated.

17. Magnetic read head applying the modulator according to claim 2, characterized in that it comprises a layer of magnetoreactive material (MR) covered with a layer of a non-magnetic material (IS), which carries, on the face opposed to the contiguous face the layer of magnetoreactive material, two layers of magnetic materials (P1, P2) separated by a gap (G) of non-magnetic materials, and means for transmitting a reading light beam (F) on the layer magnetorefractive material and means for detecting light diffracted or reflected by the layer of magnetorefractive material.

18. A magnetic reading head applying the modulator according to claim 2, characterized in that it comprises a stack of a layer of magnetorefractive material (P1), a layer of non-magnetic material (G) and a layer. magnetic material (P2) as well as means for transmitting a reading light beam (F) on the layer of magnetorefractive material (P1) and means for detecting light diffracted (or reflected) by the layer of magnetoreactive material.