Des chercheurs ont mis au point une méthode non thermique permettant de modifier la magnétisation à l'aide du rayonnement XUV, en utilisant l'effet Faraday inverse dans un alliage fer-gadolinium. Cette approche permet des changements de magnétisation significatifs sans les effets thermiques habituels, ce qui promet des améliorations dans les technologies de magnétisme ultrarapide. Crédit : Issues.fr.com
De nouvelles recherches présentent une méthode non thermique de magnétisation utilisant une lumière XUV polarisée circulairement, qui induit des changements de magnétisation importants par l'effet Faraday inverse, transformant potentiellement le stockage de données ultrarapide et la spintronique.
Des impulsions laser intenses peuvent être utilisées pour manipuler, voire modifier, l'orientation de l'aimantation d'un matériau sur des échelles de temps extrêmement courtes. En général, ces effets sont induits thermiquement, car l'énergie laser absorbée chauffe le matériau très rapidement, provoquant une perturbation ultrarapide de l'ordre magnétique.
Des scientifiques de l'Institut Max Born (MBI), en collaboration avec une équipe internationale de chercheurs, ont maintenant démontré une approche non thermique efficace pour générer de grands changements de magnétisation. En exposant un fer-gadolinium ferrimagnétique alliage aux impulsions polarisées circulairement de rayonnement ultraviolet extrême (XUV), ils pourraient révéler une réponse magnétique particulièrement forte en fonction de la directionnelité de l'éclatement de lumière XUV entrant (polarisation circulaire gauche ou droite).
Le mécanisme sous-jacent est basé sur l’effet Faraday inverse, qui ne repose pas sur l’absorption de la lumière, mais fournit une interaction efficace entre sa polarisation et les moments magnétiques du matériau.
Contrôler le magnétisme avec la lumière polarisée
Lorsqu'une impulsion laser intense frappe un milieu magnétisé, son impact sur la magnétisation peut généralement être attribué à la quantité d'énergie introduite dans le matériau lors de son absorption. Au niveau microscopique, cela correspond à une excitation optique des électrons, qui sont rapidement mis en déséquilibre et commencent à se disperser entre eux et avec d'autres quasiparticules, modifiant le spin et les moments orbitaux des électrons et donc la magnétisation à longue portée.
Bien que de tels mécanismes donnent lieu à une variété de phénomènes fascinants, notamment la démagnétisation ultrarapide et la commutation de magnétisation induite par laser, ils se font au prix d'une charge thermique substantielle sur le matériau, limitant l'applicabilité technologique lorsque des taux de répétition rapides sont requis, par exemple pour les opérations de lecture/écriture dans les futures technologies de stockage de données.
Figure 1 : Dynamique de magnétisation induite par des impulsions XUV femtosecondes accordées sur la résonance Fe M3,2 (54,1 eV) de FeGd avec une polarisation variable (polarisation circulaire avec des hélicités opposées σ± et polarisation horizontale linéaire) pour deux flux d'excitation différents. L'effet dépendant de l'hélicité ΔM correspond à la différence induite par l'IFE des amplitudes de démagnétisation pour l'excitation σ±. Crédit : MBI / M. Hennecke
L'effet Faraday inverse et les phénomènes optomagnétiques
Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par des scientifiques du MBI, a étudié une toute autre voie, non thermique, de manipulation du magnétisme par la lumière. Leur approche repose sur un phénomène optomagnétique qui ne repose pas sur un échauffement électronique induit par l'absorption de la lumière, mais plutôt sur une interaction directe et cohérente entre la polarisation de la lumière et les spins électroniques.
Le mécanisme sous-jacent est l'effet Faraday inverse (IFE), qui conduit à la génération de moments magnétiques dans un milieu excité optiquement par un rayonnement polarisé circulairement, la direction de l'aimantation dépendant du caractère gauche ou droit de la polarisation circulaire, c'est-à-dire de son hélicité. Cependant, comme les propriétés métalliques et hautement absorbantes de la plupart des matériaux ferro- et antiferromagnétiques suppriment généralement les effets non thermiques susmentionnés, une technique spéciale a dû être développée pour générer une réponse optomagnétique importante.
En utilisant des impulsions femtosecondes polarisées circulairement de rayonnement ultraviolet extrême (XUV), générées par le laser à électrons libres FERMI, les scientifiques ont pu démontrer la génération d'une magnétisation induite par IFE particulièrement forte dans un alliage métallique ferrimagnétique fer-gadolinium (FeGd). Cela est possible grâce à la haute photon l'énergie du rayonnement XUV, permettant l'excitation résonante d'électrons étroitement liés au niveau du noyau, qui, en raison de leurs propriétés intrinsèques (en particulier, un fort couplage spin-orbite), facilitent la génération d'effets opto-magnétiques importants.
Figure 2 : Comparaison des plus grands effets dépendants de l'hélicité observés expérimentalement ΔMexp (losanges jaunes, échelle de gauche) avec la réponse IFE calculée ΔIFE (ligne turquoise, échelle de droite) en fonction de l'énergie des photons XUV. ΔMsim (losanges rouges, échelle de gauche) montre l'influence attendue du XMCD (ligne bleue) sur la dynamique de magnétisation, qui est trop faible pour expliquer les effets observés. Crédit : MBI / M. Hennecke
Démonstration de changements importants de magnétisation à l'aide de la technologie XUV
Avec cette approche, les scientifiques ont pu montrer que, pour différentes énergies de photons XUV autour du Fe M3,2 résonance au niveau du noyau, la magnétisation induite par l'IFE peut atteindre jusqu'à 20 à 30 % de la magnétisation de l'état fondamental de l'alliage, mesurée par la différence entre la démagnétisation ultrarapide induite pour les hélicités opposées des impulsions XUV polarisées circulairement (Figure 1).
Soutenus par la théorie ab initio et les simulations de dynamique de spin, il a également pu être démontré que les effets observés sont conformes à la réponse IFE attendue (Figure 2) et ne peuvent pas être expliqués par un mécanisme purement dépendant de l'hélicité thermique, tel que le dichroïsme circulaire magnétique des rayons X (XMCD) bien établi.
En fournissant une méthode efficace pour la génération non thermique d'une grande magnétisation sur des échelles de temps ultrarapides, ces résultats devraient être d'une grande pertinence pour les domaines du magnétisme ultrarapide et de la spintronique, ainsi que pour le contrôle cohérent de la magnétisation et la science des interactions non linéaires entre les rayons X et la matière.
