L’EUV HHG ultrarapide accordable capture la dynamique concurrente des retournements de spin et des transferts de spin dans un composé Heusler Co2MnGa. Crédit : Steven Burrows/Groupes Murnane et Kapteyn
Des recherches révolutionnaires permettent un contrôle précis des spins électroniques dans les matériaux magnétiques, une étape importante vers le développement d’une électronique plus rapide et plus efficace.
Au plus profond de chaque morceau de matériau magnétique, les électrons dansent au rythme invisible de la mécanique quantique. Leurs spins, semblables à de minuscules sommets atomiques, dictent le comportement magnétique du matériau qu’ils habitent. Ce ballet microscopique est la pierre angulaire des phénomènes magnétiques, et ce sont ces spins qu’une équipe de chercheurs du JILA, dirigée par les boursiers du JILA et les professeurs de physique de l’Université du Colorado à Boulder, Margaret Murnane et Henry Kapteyn, a appris à contrôler avec une précision remarquable, redéfinissant potentiellement l’avenir. de l’électronique et du stockage de données.
Recherche innovante sur les composés Heusler
Comme indiqué dans un récent Avancées scientifiques Dans cet article, l’équipe JILA et des collaborateurs d’universités de Suède, de Grèce et d’Allemagne ont étudié la dynamique de spin au sein d’un matériau spécial appelé composé de Heusler : un mélange de métaux qui se comporte comme un seul matériau magnétique. Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé un composé de cobalt, de manganèse et de gallium, qui se comportait comme conducteur pour les électrons dont les spins étaient alignés vers le haut et comme isolant pour les électrons dont les spins étaient alignés vers le bas.
En utilisant une forme de lumière appelée génération d’harmoniques ultraviolettes extrêmes (EUV HHG) comme sonde, les chercheurs ont pu suivre les réorientations des spins à l’intérieur du composé après l’avoir excité avec un laser femtoseconde, ce qui a amené l’échantillon à modifier son champ magnétique. propriétés. La clé pour interpréter avec précision les réorientations de spin était la capacité de régler la couleur de la lumière de la sonde EUV HHG.
Révolutionner la génération d’harmoniques aigus
« Dans le passé, les gens n’avaient pas effectué ce réglage des couleurs du HHG », a expliqué Sinéad Ryan, co-premier auteur et étudiant diplômé du JILA. « Habituellement, les scientifiques ne mesuraient le signal qu’avec quelques couleurs différentes, peut-être une ou deux par élément magnétique au maximum. » Dans une première historique, l’équipe JILA a réglé sa sonde lumineuse EUV sur les résonances magnétiques de chaque élément du composé pour suivre les changements de spin avec une précision de l’ordre de la femtoseconde (un quadrillionième de seconde).
« En plus de cela, nous avons également modifié la fluence d’excitation du laser, nous avons donc modifié la quantité de puissance utilisée pour manipuler les spins », a expliqué Ryan, soulignant que cette étape était également une première expérimentale pour ce type de recherche. En modifiant la puissance, les chercheurs pourraient influencer les changements de rotation au sein du composé.
En utilisant leur nouvelle approche, les chercheurs ont collaboré avec le théoricien et co-premier auteur Mohamed Elhanoty de l’Université d’Uppsala, qui a visité JILA, pour comparer les modèles théoriques de changements de spin à leurs données expérimentales. Leurs résultats ont montré une forte correspondance entre les données et la théorie. « Nous avions le sentiment d’établir une nouvelle norme grâce à l’accord entre la théorie et l’expérience », a ajouté Ryan.
Réglage fin de l’énergie lumineuse
Pour plonger dans la dynamique de spin de leur composé Heusler, les chercheurs ont proposé un outil innovant : des sondes à hautes harmoniques dans l’ultraviolet extrême. Pour produire les sondes, les chercheurs ont focalisé une lumière laser de 800 nanomètres dans un tube rempli de gaz néon, où le champ électrique du laser éloignait les électrons de leurs atomes puis les repoussait. Lorsque les électrons revenaient en arrière, ils agissaient comme des élastiques libérés après avoir été étirés, créant des éclats de lumière violette à une fréquence (et une énergie) plus élevée que le laser qui les avait expulsés. Ryan a réglé ces sursauts pour qu’ils entrent en résonance avec les énergies du cobalt et du manganèse présents dans l’échantillon, mesurant la dynamique de spin spécifique aux éléments et les comportements magnétiques au sein du matériau que l’équipe pourrait manipuler davantage.
Un concours d’effets de spin
Dans leur expérience, les chercheurs ont découvert qu’en réglant la puissance du laser d’excitation et la couleur (ou la photon énergie) de leur sonde EUV, ils ont pu déterminer quels effets de spin étaient dominants à différents moments au sein de leur composé. Ils ont comparé leurs mesures à un modèle informatique complexe appelé théorie fonctionnelle de la densité dépendant du temps (TD-DFT). Ce modèle prédit comment un nuage d’électrons dans un matériau évoluera d’instant en instant lorsqu’il sera exposé à divers intrants.
En utilisant le cadre TD-DFT, Elhanoty a trouvé un accord entre le modèle et les données expérimentales en raison des effets de spin concurrents au sein du composé Heusler : retournements de spin vers le haut ou vers le bas et transferts de spin. Les retournements de spin se produisent dans un élément de l’échantillon lorsque les spins changent d’orientation de haut en bas et vice versa. En revanche, les transferts de spin se produisent au sein de plusieurs éléments, en l’occurrence le cobalt et le manganèse, lorsqu’ils transfèrent des spins entre eux, ce qui rend chaque matériau plus ou moins magnétique au fil du temps. « Ce qu’il (Elhanoty) a découvert dans la théorie, c’est que les retournements de spin étaient assez dominants aux premières échelles de temps, puis que les transferts de spin sont devenus plus dominants », a expliqué Ryan. « Puis, à mesure que le temps passe, d’autres effets de démagnétisation prennent le dessus et l’échantillon se démagnétise. »
Concevoir des matériaux plus efficaces
Comprendre quels effets étaient dominants, quels niveaux d’énergie et quels moments ont permis aux chercheurs de mieux comprendre comment les spins pouvaient être manipulés pour conférer aux matériaux des propriétés magnétiques et électroniques plus puissantes.
« Il existe ce concept de spintronique, qui reprend l’électronique dont nous disposons actuellement et, au lieu d’utiliser uniquement la charge de l’électron, nous utilisons également le spin de l’électron », a expliqué Ryan. « Ainsi, la spintronique a également une composante magnétique. Utiliser la rotation au lieu de la charge électronique pourrait créer des appareils avec moins de résistance et moins de chauffage thermique, ce qui rendrait les appareils plus rapides et plus efficaces.
Faire progresser la spintronique
Grâce à leur travail avec Elhanoty et leurs autres collaborateurs, l’équipe JILA a acquis une connaissance plus approfondie de la dynamique de spin au sein des composés Heusler. Ryan a déclaré : « C’était vraiment gratifiant de constater un si bon accord entre la théorie et l’expérience grâce à cette collaboration très étroite et productive. » Les chercheurs de JILA espèrent poursuivre cette collaboration en étudiant d’autres composés afin de mieux comprendre comment la lumière peut être utilisée pour manipuler les modèles de spin.
