Une nouvelle étude révèle que les impulsions laser peuvent modifier les propriétés magnétiques des terres rares en influençant leurs électrons 4f. Cette capacité, démontrée lors d'expériences avec du terbium dans les principales installations de rayons X, pourrait conduire à des solutions de stockage de données plus rapides et plus efficaces. Crédit : Issues.fr.com
Il a été démontré que les impulsions laser ajustent les propriétés magnétiques des terres rares en affectant les électrons 4f, ouvrant ainsi la voie à des dispositifs de stockage de données plus rapides et plus économes en énergie.
Les propriétés particulières des terres rares magnétiques sont dues aux électrons de la couche 4f. Jusqu'à présent, les propriétés magnétiques des électrons 4f étaient considérées comme presque impossibles à contrôler. Aujourd'hui, des scientifiques ont montré pour la première fois que des impulsions laser peuvent influencer les électrons 4f et ainsi modifier leurs propriétés magnétiques. Cette découverte, réalisée grâce à des expériences menées chez EuXFEL et FLASH, ouvre une nouvelle voie pour le stockage de données avec des terres rares.
Percée dans le contrôle des propriétés magnétiques
Les aimants les plus puissants que nous connaissons sont à base de terres rares. 4f Les électrons sont responsables de leurs propriétés magnétiques : ils génèrent un moment magnétique important qui se maintient même lorsque leur environnement chimique change. Cela signifie que les terres rares peuvent être utilisées dans des composés et des alliages très différents sans que leurs propriétés magnétiques particulières ne soient altérées.
Jusqu'à présent, on supposait que les propriétés magnétiques de 4f Les électrons ne pourraient pas être modifiés même si le matériau était excité par une impulsion laser. Mais c'est bel et bien possible, comme l'a montré une équipe du Centre Helmholtz pour les matériaux et l'énergie (HZB) de l'Université libre de Berlin. DÉSYle laser à rayons X européen XFEL et d'autres institutions ont maintenant montré que la disposition spatiale des 4f Les électrons peuvent être brièvement commutés par excitation laser. Cela modifie également leur magnétisme.
Cet effet ouvre de nouvelles possibilités pour le contrôle rapide et économe en énergie des terres rares magnétiques. Les travaux seront publiés aujourd'hui (5 août) dans la revue Progrès scientifiques.
L'image montre les orbitales du terbium entre lesquelles l'excitation a lieu et un schéma du processus d'excitation. Crédit : HZB
Apports expérimentaux des lasers à rayons X
L'équipe a réalisé des expériences avec les lasers à rayons X EuXFEL et FLASH et a analysé des échantillons de terbium, un élément de terre rare avec un numéro atomique 65 et un total de 8 électrons en 4f orbitales. L'échantillon a été excité par une impulsion laser ultracourte et analysé par spectroscopie à rayons X. Le rayonnement X mou utilisé dans l'étude est capable de déterminer la structure électronique d'un matériau de manière très sensible.
L'expérience montre qu'après excitation laser, 4f les électrons passent brièvement à une orbitale avec une distribution spatiale différente. Cela est dû à un processus de diffusion avec 5j électrons, qui n'avaient pas été pris en compte auparavant. La redistribution des 4F les électrons par l'excitation laser provoquent un bref changement dans leurs propriétés magnétiques.
Potentiel des technologies de stockage de données
Cette commutation contrôlée ouvre la voie à de nouvelles applications pour les terres rares, comme les dispositifs de stockage d'informations rapides et économes en énergie. Jusqu'à présent, les terres rares n'étaient pas utilisées dans les supports de stockage magnétiques.
Les supports de stockage les plus récents sont les dispositifs de stockage de données HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording), dans lesquels les structures magnétiques sont chauffées par une impulsion laser pour être commutées par un aimant. Avec les aimants en terres rares beaucoup plus puissants, une impulsion laser ultracourte pourrait désormais exciter les 4f les électrons et permettent la commutation — un effet électronique qui serait encore plus rapide et plus efficace que le mécanisme de chauffage de la mémoire HAMR.
Progrès dans la spectroscopie à rayons X
Ces recherches ont été rendues possibles par le développement au cours des dernières décennies de sources de rayons X basées sur des accélérateurs pour générer des impulsions de rayons X ultracourtes. Ces sources de rayons X permettent d'observer des processus élémentaires dans les matériaux magnétiques sur des échelles de temps de quelques femtosecondes. Une femtoseconde (10-15 s) représente un millionième de milliardième de seconde. La lumière se déplace d'environ la largeur d'un cheveu en 300 femtosecondes.
Les travaux ont été réalisés sur le laser européen à rayons X EuXFEL et sur le FLASH de Hambourg. Le HZB exploite également une source de rayons X à impulsions courtes, qui sera étendue d'ici la fin de l'année spécifiquement pour les expériences à haute résolution spectroscopique. BESSY II offrira alors également des conditions optimales pour ce type d'expérience. Berlin est l'un des principaux centres mondiaux de recherche sur les effets magnétiques ultrarapides.
Les travaux menés à la Freie Universität, à la Technische Universität, à la HZB, au Fritz-Haber-Institut et au Max-Born-Institut en collaboration avec des partenaires de Halle sont financés par la Fondation allemande pour la recherche dans le cadre d'un centre de recherche collaboratif transrégional (Transregio-SFB 227 « Ultrafast Spin Dynamique »).
