Tapis atomique déplacé par vrilles brouillées. Le cisaillement des couches atomiques dans le trisulfure de fer et de phosphore en couches est causé par le brouillage du spin électronique lors de l’exposition à une impulsion lumineuse. Tours ordonnés à gauche ; tours brouillés à droite. Crédit : Image du Laboratoire national d’Argonne
Des techniques d’imagerie ultrarapide de pointe ont révélé un mouvement mécanique ultrarapide lié à un changement d’état magnétique dans un matériau en couches. Cet effet magnétique intrigant pourrait avoir des applications dans les nanodispositifs nécessitant un contrôle de mouvement ultra-précis et rapide.
Un trombone en métal commun collera à un aimant. Les scientifiques classent ces matériaux contenant du fer comme ferromagnétiques. Il y a un peu plus d’un siècle, les physiciens Albert Einstein et Wander de Haas ont rapporté un effet surprenant avec un ferromagnétique. Ils ont découvert que lorsque vous suspendez un cylindre de fer à un fil et que vous l’exposez à un champ magnétique, il commence à tourner si la direction du champ magnétique est inversée.
« L’expérience d’Einstein et de Haas ressemble presque à un spectacle de magie », a déclaré Haidan Wen, physicien des divisions Science des matériaux et Science des rayons X du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE). « Vous pouvez faire tourner un cylindre sans jamais le toucher. »
« Dans cette expérience, une propriété microscopique, le spin électronique, est exploitée pour provoquer une réponse mécanique dans un cylindre, un objet macroscopique. »
— Alfred Zong, chercheur Miller au Université de Californie, Berkeley
Dans la revue scientifique Nature, une équipe de chercheurs d’Argonne et d’autres laboratoires et universités nationaux américains rapportent maintenant un effet analogue mais différent dans un « anti »-ferromagnétique. Cela pourrait avoir des applications importantes dans les appareils nécessitant un contrôle de mouvement ultra-précis et ultra-rapide. Un exemple est celui des nanomoteurs à grande vitesse pour les applications biomédicales, telles que l’utilisation dans les nanorobots pour le diagnostic et la chirurgie peu invasifs.
Le spin électronique et son rôle
La différence entre un ferromagnétique et un antiferromagnétique est liée à une propriété appelée spin électronique. Cette rotation a une direction. Les scientifiques représentent la direction avec une flèche, qui peut pointer vers le haut ou vers le bas ou n’importe quelle direction entre les deux. Dans le ferromagnétique mentionné ci-dessus, les flèches associées à tous les électrons des atomes de fer peuvent pointer dans la même direction, disons vers le haut. Inverser le champ magnétique inverse le sens des spins des électrons. Ainsi, toutes les flèches pointent vers le bas. Cette inversion entraîne la rotation du cylindre.
« Dans cette expérience, une propriété microscopique, le spin électronique, est exploitée pour provoquer une réponse mécanique dans un cylindre, un objet macroscopique », a déclaré Alfred Zong, chercheur Miller à l’Université de Californie à Berkeley.
Expérience antiferromagnétique
Dans les antiferromagnétiques, au lieu que les spins des électrons pointent tous vers le haut, par exemple, ils alternent de haut en bas entre les électrons adjacents. Ces spins opposés s’annulent et les antiferromagnétiques ne réagissent donc pas aux variations d’un champ magnétique comme le font les ferromagnétiques.
« La question que nous nous sommes posée est la suivante : le spin des électrons peut-il provoquer une réponse dans un antiferromagnétique qui soit différente mais similaire dans l’esprit à celle de la rotation du cylindre dans l’expérience d’Einstein-de Hass ? » dit Wen.
Pour répondre à cette question, l’équipe a préparé un échantillon de trisulfure de fer et de phosphore (FePS3), un antiferromagnétique. L’échantillon était composé de plusieurs couches de FePS3chaque couche n’ayant que quelques atomes d’épaisseur.
« Contrairement à un aimant traditionnel, FePS3 est spécial car il est formé dans une structure en couches, dans laquelle l’interaction entre les couches est extrêmement faible », a déclaré Xiaodong Xu, professeur de physique et de science des matériaux au Université de Washington.
Résultat de l’expérience
« Nous avons conçu un ensemble d’expériences corroborantes dans lesquelles nous avons tiré des impulsions laser ultrarapides sur ce matériau en couches et mesuré les changements résultants dans les propriétés du matériau avec des impulsions optiques, de rayons X et d’électrons », a ajouté Wen.
L’équipe a découvert que les impulsions modifient la propriété magnétique du matériau en brouillant l’orientation ordonnée des spins électroniques. Les flèches pour le spin des électrons n’alternent plus entre le haut et le bas de manière ordonnée, mais sont désordonnées.
« Ce brouillage du spin électronique entraîne une réponse mécanique sur l’ensemble de l’échantillon. Parce que l’interaction entre les couches est faible, une couche de l’échantillon est capable de glisser d’avant en arrière par rapport à une couche adjacente », a expliqué Nuh Gedik, professeur de physique au Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Ce mouvement est ultrarapide, à un incroyable 10 à 100 picosecondes par oscillation. Une picoseconde équivaut à un billionième de seconde. C’est si rapide qu’en une picoseconde, la lumière parcourt à peine un tiers de millimètre.
Les mesures sur des échantillons avec une résolution spatiale à l’échelle atomique et une résolution temporelle mesurée en picosecondes nécessitent des installations scientifiques de classe mondiale. À cette fin, l’équipe s’est appuyée sur des sondes ultrarapides de pointe qui utilisent des faisceaux d’électrons et de rayons X pour analyser les structures atomiques.
Motivées par des mesures optiques à l’Université de Washington, les études initiales ont utilisé l’installation de diffraction d’électrons ultrarapide méga-électronvolt du SLAC National Accelerator Laboratory. D’autres études ont été réalisées dans une configuration de diffraction d’électrons ultrarapide au MIT. Ces résultats ont été complétés par des travaux dans l’installation de microscope électronique ultrarapide du Centre des matériaux à l’échelle nanométrique (CNM) et les lignes de lumière 11-BM et 7-ID de l’Advanced Photon Source (APS). Le CNM et l’APS sont tous deux des installations d’utilisateurs du Bureau des sciences du DOE au Laboratoire national d’Argonne.
Implications de la découverte
Le spin électronique dans un antiferromagnétique en couches a également un effet à des temps plus longs que les picosecondes. Dans une étude antérieure utilisant les installations APS et CNM, les membres de l’équipe ont observé que les mouvements fluctuants des couches ralentissaient considérablement près de la transition d’un comportement désordonné à un comportement ordonné pour les spins électroniques.
« La découverte essentielle de nos recherches actuelles a été de trouver un lien entre le spin des électrons et le mouvement atomique qui est particulier à la structure en couches de cet antiferromagnétique », a déclaré Zong. « Et parce que ce lien se manifeste à des échelles de temps aussi courtes et minuscules, nous envisageons que la capacité de contrôler ce mouvement en modifiant le champ magnétique ou, alternativement, en appliquant une petite contrainte aura des implications importantes pour à l’échelle nanométrique dispositifs. »
Outre Wen, Zong, Xu et Gedik, d’autres auteurs incluent Qi Zhang, Faran Zhou, Yifan Su, Kyle Hwangbo, Xiaozhe Shen, Qianni Jiang, Haihua Liu, Thomas Gage, Donald Walko, Michael E. Kozina, Duan Luo, Alexander Reid , Jie Yang, Suji Park, Saul Lapidus, Jiun-Haw Chu, Ilke Arslan, Xijie Wang et Di Xiao.
Ce travail a été principalement soutenu par le Bureau des sciences énergétiques de base du DOE.
