Les chercheurs ont fait des progrès significatifs dans la compréhension des électromagnons, des excitations hybrides dans les solides, en menant des expériences au SwissFEL. Ils ont révélé comment les vibrations du réseau et les spins interagissent, les mouvements atomiques précédant les mouvements de spin. Cette découverte, essentielle au contrôle ultra-rapide du magnétisme grâce à la lumière, a également des implications plus larges pour la compréhension de processus physiques complexes tels que la supraconductivité à haute température.
Les rayons X révèlent le tremblement synchronisé du réseau et des spins atomiques.
Les scientifiques ont découvert l’interaction entre les vibrations du réseau et les spins dans une excitation hybride appelée électromagnon, en utilisant une combinaison unique d’expériences au laser à électrons libres à rayons X SwissFEL. Cette découverte au niveau atomique ouvre la voie à une manipulation ultrarapide du magnétisme utilisant la lumière.
Au sein du réseau atomique d’un solide, les particules et leurs diverses propriétés coopèrent dans des mouvements ondulatoires appelés excitations collectives. Lorsque les atomes d’un réseau tremblent ensemble, l’excitation collective est appelée phonon. De même, lorsque les spins atomiques – la magnétisation des atomes – se déplacent ensemble, on parle de magnon.
La situation devient plus complexe. Certaines de ces excitations collectives communiquent entre elles dans des excitations dites hybrides. Une de ces excitations hybrides est un électromagnon. Les électromagnons tirent leur nom de leur capacité à exciter les spins atomiques en utilisant le champ électrique de la lumière, contrairement aux magnons conventionnels : une perspective passionnante pour de nombreuses applications techniques. Pourtant, leur vie secrète au niveau atomique n’est pas bien comprise.
Hiroki Ueda, premier auteur de l’article, travaille sur la nouvelle expérience Furka au SwissFEL. Ici, en utilisant des rayons X mous, Ueda et ses collègues ont pu révéler le mouvement des spins lors d’un électro-aimant à Furka, complétant ainsi les mesures des vibrations du réseau par rayons X durs. réalisé à la station expérimentale de Bernina. Crédit : Institut Paul Scherrer / Markus Fischer
On soupçonne que lors d’un électromagnon, les atomes du réseau bougent et les spins vacillent dans une excitation qui est essentiellement une combinaison d’un phonon et d’un magnon. Pourtant, depuis leur première proposition en 2006, seul le mouvement de rotation a été mesuré. La manière dont les atomes du réseau se déplacent – voire pas du tout – reste un mystère. Il en va de même pour la compréhension de la façon dont les deux composants communiquent entre eux.
Grâce à une série d’expériences sophistiquées menées au laser à électrons libres suisse SwissFEL, des chercheurs du PSI ont ajouté ces pièces manquantes au puzzle. «Grâce à une meilleure compréhension du fonctionnement de ces excitations hybrides, nous pouvons désormais commencer à étudier les possibilités de manipuler le magnétisme à une échelle de temps ultra-rapide», explique Urs Staub, responsable du groupe Microscopie et magnétisme au PSI, qui a dirigé l’étude.
D’abord les atomes, puis les spins
Dans leurs expériences au SwissFEL, les chercheurs ont utilisé une impulsion laser térahertz pour induire un électromagnon dans un cristal d’hexaferrite multiferroïque. À l’aide d’expériences de diffraction des rayons X résolues dans le temps, ils ont ensuite pris des instantanés ultrarapides de la façon dont les atomes et les spins se déplaçaient en réponse à l’excitation. Grâce à cela, ils ont prouvé à la fois que les atomes du réseau se déplacent réellement dans un électro-aimant et ont également révélé comment l’énergie est transférée entre le réseau et le spin.
Un résultat frappant de leur étude est que les atomes se déplacent en premier, les spins se déplaçant légèrement plus tard. Lorsque l’impulsion térahertz frappe le cristal, le champ électrique met les atomes en mouvement, initiant la partie phononique de l’électromagnon. Ce mouvement crée un champ magnétique efficace qui déplace ensuite les spins.
« Nos expériences ont révélé que l’excitation ne déplace pas directement les spins. On ne savait pas si cela serait le cas auparavant», explique Hiroki Ueda, scientifique de la ligne de lumière au SwissFEL et premier auteur de la publication.
En allant plus loin, l’équipe pourrait également quantifier la quantité d’énergie que la composante phononique acquiert à partir de l’impulsion térahertz et la quantité d’énergie que la composante magnonique acquiert à travers le réseau. « Il s’agit d’une information importante pour les applications futures dans lesquelles on cherche à piloter le système magnétique », ajoute Ueda.
Un laser à électrons libres, deux lignes de lumière, deux modes cristallins
La clé de leur découverte était la capacité de mesurer à la fois les mouvements atomiques et les spins dans des expériences complémentaires de diffraction des rayons X résolues en temps sur les lignes de lumière de rayons X durs et mous du SwissFEL.
À l’aide de rayons X durs à la station expérimentale Bernina, l’équipe a étudié le mouvement des atomes au sein du réseau. L’installation récemment développée de la station expérimentale, comprenant des chambres d’échantillons spécialement conçues, permet des mesures ultrarapides uniques utilisant des champs térahertz dans des solides à très basse température.
Pour étudier le mouvement des spins, l’équipe a utilisé des rayons X mous, plus sensibles aux changements dans les systèmes magnétiques. Ces expériences ont été réalisées à la station expérimentale de Furka, récemment entrée en exploitation. En adaptant l’énergie des rayons X à une résonance dans le matériau, ils pourraient se concentrer spécifiquement sur le signal provenant des spins – une information généralement masquée.
« La mesure de la seule partie phononique à la Bernina a constitué un grand pas en avant. Pouvoir également accéder au mouvement magnétique avec Furka est une possibilité expérimentale qui n’existe presque nulle part ailleurs dans le monde », commente Staub.
Le principe fondamental est important pour notre compréhension d’autres processus physiques
Ueda, Staub et leurs collègues ont permis de comprendre l’origine microscopique d’un électromagnon. Cette compréhension est importante non seulement pour ce processus physique, mais dans un sens plus général.
Les interactions fondamentales entre le réseau et les spins sont à l’origine de nombreux effets physiques qui donnent naissance à des propriétés matérielles inhabituelles – et potentiellement très utiles : par exemple, la supraconductivité à haute température. Ce n’est qu’avec une meilleure compréhension de ces effets que l’on peut parvenir à un contrôle.
