Les chercheurs de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) ont développé une méthode innovante pour étudier le magnétisme ultra-détruit dans les matériaux. Ils ont montré la génération et l'application des étapes de champ magnétique, dans lesquelles un champ magnétique est activé en une question de picosecondes.
L'œuvre a été publiée dans Photonique de la nature.
Les champs magnétiques sont fondamentaux pour contrôler l'aimantation des matériaux. Dans des conditions statiques ou variables lentement, la magnétisation d'un matériau s'aligne sur le champ externe comme une aiguille de boussole. Cependant, une dynamique de magnétisation entièrement nouvelle émerge lorsque les champs magnétiques changent sur des échelles de temps ultra-rapides – plus fréquentes que le temps de réponse du matériau.
Ces transitoires rapides sont d'un grand intérêt pour la recherche fondamentale sur les états de matière non équilibrés et pour les applications potentielles dans la mémoire magnétique de nouvelle génération, où des vitesses d'écriture plus rapides sont essentielles.
Pour relever ce défi, l'équipe de recherche a conçu un nouveau dispositif supraconducteur capable de produire des étapes de champ magnétique unipolaires ultrafolaires – des changements magnétiques soudânés avec l'élévation à l'échelle picoseconde et les temps de désintégration super-nanoseconde.
« Notre objectif est de créer un stimulus universel ultra-rapide qui peut changer n'importe quel échantillon magnétique entre les états magnétiques stables », explique l'auteur principal Giovanni de Vecchi. « Cette percée pourrait stimuler les progrès de la science et de la technologie fondamentales. »
Exploitation des supraconducteurs pour les étapes magnétiques ultra-détruites
L'équipe, dirigée par Andrea Cavalleri, a réalisé cet exploit en éteignant rapidement les supercurrents dans un disque mince yba₂cu₃o₇ supraconducteur exposé à un champ magnétique externe. Les supercurants se forment naturellement pour expulser les champs magnétiques des supraconducteurs.
« En perturbant brusquement ces courants en utilisant des impulsions laser ultra-espèces, nous pourrions générer des étapes de champ magnétique ultrafast avec des temps de montée d'environ un picoseconde – un billionième de seconde », explique son collègue co-auteur Gregor Jotzu.
« La conception d'une méthode pour suivre ces transitoires magnétiques en temps réel a été un défi majeur », explique la co-auteur Michele Buzzi. Les chercheurs ont placé un cristal de spectateur près de l'échantillon supraconducteur pour y parvenir. Les propriétés optiques du cristal changent en réponse au champ magnétique local.
Cet effet permet à l'équipe de suivre l'évolution du champ magnétique en analysant la rotation de polarisation d'une impulsion laser fémtoseconde.
« Avec cette approche, nous avons atteint une résolution sous-picoseconde et une sensibilité sans précédent », ajoute le co-auteur Sebastian Fava.
Bien que les étapes magnétiques actuelles n'atteignent pas encore la commutation de magnétisation complète, les chercheurs pensent que l'optimisation de la géométrie de l'appareil pourrait améliorer l'amplitude et la vitesse des transitoires de champ magnétique.
« Avec des améliorations appropriées, nous envisageons des applications allant du contrôle de la transition de phase à la commutation complète des paramètres d'ordre magnétique », explique Cavalleri.
