La réalisation de dispositifs pour stocker ou transmettre des informations est l'une des applications technologiques les plus fréquentes du magnétisme. Une étude expérimentale et théorique menée à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP) au Brésil a découvert un moyen ultrarapide de magnétiser la matière avec une consommation d'énergie minimale.

En utilisant une technique appelée aimantation par la lumière, les chercheurs ont magnétisé un échantillon de séléniure d'europium (EuSe) en 50 picosecondes avec une ampoule de 50 watts située à quelques centimètres. Une picoseconde est un trillionième de seconde.

Un article décrivant l'expérience, intitulé "Commutation ultrarapide de la lumière du ferromagnétisme dans EuSe, " a été récemment publié dans Lettres d'examen physique .

L'expérience a été menée par André Bohomoletz Henriques, professeur titulaire à l'IF-USP, et des collaborateurs avec le soutien de la Fondation pour la recherche de São Paulo—FAPESP.

"Notre objectif était de trouver de nouveaux mécanismes pour modifier le magnétisme des matériaux à une échelle de temps ultracourte en utilisant uniquement la lumière. La nouveauté de notre recherche est qu'elle permet une très forte magnétisation avec de très petites quantités de lumière, " dit Henriques.

Le processus a été dérivé expérimentalement au laboratoire de magnéto-optique de l'Université de São Paulo, mais l'interprétation du phénomène a nécessité un travail théorique conséquent, impliquant des procédures telles que des calculs de mécanique quantique auto-cohérents et des simulations de Monte Carlo, de la part du groupe dirigé par Henriques.

L'aimantation d'un matériau est associée à l'ordonnancement spatial des spins de ses particules constitutives. Dans un matériau non magnétisé, les spins de ses atomes (résultant des spins de ses électrons) sont désordonnés. Parce que la magnitude vectorielle est impliquée, le spin de chaque atome pointe dans une direction arbitraire. Dans certaines situations, ces tours peuvent être commandés par lumière, lequel, par conséquent, peut magnétiser complètement un matériau initialement désordonné. L'image ci-dessus illustre le processus d'aimantation par la lumière.

Le matériau choisi pour l'expérience était le semi-conducteur séléniure d'europium (EuSe), dans laquelle chaque photon ordonnait les spins de 6, 000 électrons.

"Cela se produit parce que lorsqu'un photon interagit avec un électron, il change un état fortement localisé dans l'atome en un état qui s'étend à de nombreux atomes, " expliqua Henriques. " Le résultat est qu'en un temps extraordinairement court, environ 50 picosecondes, tous les atomes à portée de la fonction d'onde de l'électron basculent leurs spins dans une direction commune, créant un moment magnétique super gigantesque approchant 6, 000 magnétons de Bohr. Cela équivaut au moment magnétique de 6, 000 électrons dont les spins pointent tous dans la même direction. Le résultat, considéré comme inattendu et spectaculaire par les pairs évaluateurs pour les lettres d'examen physique, était-ce avec un seul photon, nous avons pu aligner les spins de 6, 000 électrons."

Le spin est communément compris comme la rotation d'une particule autour d'un axe, mais cette conception ne correspond pas à la réalité et ne sert que de représentation d'une particule associée à un courant électrique équivalent à un moment magnétique.

Les particules ont non seulement une masse inertielle et une charge électrique, mais aussi une troisième propriété physique appelée spin. Cette propriété, caractérisé comme un vecteur (c'est-à-dire une grandeur physique avec une amplitude et une direction), décrit le moment magnétique de la particule. Comme une aiguille de boussole, qui est orienté dans une direction nord-sud par l'attraction du champ magnétique terrestre car il a un moment magnétique, le spin d'une particule a également tendance à pointer dans la direction du champ magnétique agissant sur elle.

"Pour magnétiser le séléniure d'europium, le photon doit avoir suffisamment d'énergie pour transférer un électron d'une orbite très proche du noyau atomique à une orbite éloignée dans la bande de conduction. À la suite de ce transfert, l'électron interagit magnétiquement avec des milliers d'atomes voisins. L'interaction entre le moment magnétique de l'électron et les moments magnétiques des atomes voisins aligne tous leurs spins, " a déclaré le chercheur soutenu par la FAPESP.

Interaction antiferromagnétique

Le séléniure d'europium a été choisi en raison de sa forte susceptibilité magnétique, ce qui se traduit par la forte tendance des spins des atomes à s'aligner sous l'effet d'un très faible champ magnétique.

"En plus de l'interaction magnétique entre l'électron et les atomes d'europium, il existe également une interaction magnétique entre les atomes d'europium eux-mêmes. L'interaction entre premiers voisins est ferromagnétique; en d'autres termes, il favorise l'alignement dans le même sens. Mais l'interaction entre seconds voisins est anti-ferromagnétique et favorise l'alignement dans des directions opposées, " dit Henriques.

"Ces deux interactions s'annulent presque. En fait, l'interaction antiferromagnétique prévaut à peu près. Pour cette raison, dans les conditions habituelles, le matériau se trouve à l'état antiferromagnétique, sans magnétisme. Cependant, toute perturbation mineure, comme la présence d'un électron, peut bouleverser cet équilibre délicat des interactions et favoriser l'état ferromagnétique, c'est-à-dire l'alignement de tous les spins du cristal dans la même direction, magnétisant le matériau presque instantanément."

Il existe différentes formes d'interaction magnétique. La forme la plus connue est l'interaction dipolaire, qui caractérise l'attraction entre deux aimants, mais il y a aussi une interaction d'échange, qui est beaucoup plus fort et influence le magnétisme d'une aiguille de boussole ou d'un aimant de réfrigérateur.

L'interaction d'échange est d'origine électrostatique et constitue un phénomène quantique dérivé du principe d'exclusion de Pauli, qui n'a pas d'analogue en physique classique. Ce procédé permet une aimantation ultrarapide par la lumière avec une consommation d'énergie minimale.

Bien qu'ils aient mené cette étude strictement comme recherche fondamentale, Henriques et son équipe sont conscients des applications technologiques potentielles dans le contexte de l'industrie électronique en rapide évolution. Selon un éditorial publié en mars 2018 dans la revue Physique de la nature , la manipulation du magnétisme dans les matériaux antiferromagnétiques tels que le séléniure d'europium est un domaine de recherche émergent avec un potentiel prometteur d'application dans les appareils électroniques.