Physiciens de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapour) et le Niels Bohr Institute à Copenhague, Danemark, ont mis au point une méthode pour transformer un métal non magnétique en un aimant à l'aide de la lumière laser.

Les aimants et leur champ magnétique sont généralement produits par des courants circulants, comme ceux trouvés dans les bobines électromagnétiques de tous les jours. La « main » de ces bobines, qu'elles soient enroulées dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse, détermine la direction du champ magnétique produit.

Les scientifiques émettent l'hypothèse que lorsque des disques métalliques non magnétiques sont illuminés par une lumière polarisée linéairement – ​​une lumière qui ne possède aucune maniabilité propre – des courants électriques circulants et donc du magnétisme peuvent émerger spontanément dans le disque.

Cette méthode pourrait en principe transformer les métaux non ferreux en aimants "à la demande" en utilisant la lumière laser.

La nouvelle théorie du professeur adjoint Justin Song de l'École des sciences physiques et mathématiques de la NTU et du professeur agrégé Mark Rudner de l'Institut Niels Bohr, a été publié dans la revue scientifique Physique de la nature plus tôt ce mois-ci.

En formulant leur proposition, les scientifiques ont développé une nouvelle façon de penser l'interaction entre la lumière et la matière. Ils ont utilisé une combinaison de calculs crayon-papier et de simulations numériques pour le concevoir.

Le professeur adjoint Song a déclaré que leur schéma est un exemple de la façon dont de nouvelles interactions fortes lumière-matière pourraient être utilisées pour créer des propriétés matérielles "à la demande". Si réalisé expérimentalement, cela ouvrirait une grande variété d'applications potentielles à travers une gamme de matériaux plasmoniques de haute qualité tels que le graphène.

Exploiter les champs plasmoniques

On pense conventionnellement que les propriétés de nombreux matériaux sont fixes, déterminé par l'arrangement de ses atomes à l'échelle nanométrique. Par exemple, la configuration des atomes dans un matériau dicte s'il conduit facilement l'électricité ou s'il a un comportement isolant/non conducteur.

Song et Rudner voulaient explorer comment les plasmons - les oscillations locales de charge dans les métaux - et les champs électriques oscillants intenses qu'ils créent, peut être utilisé pour modifier les propriétés des matériaux.

Comme la lumière composée de photons, l'oscillation du plasma est constituée de plasmons, un type de quasi-particule. Les plasmons ont tendance à osciller et à se déplacer dans la même direction que le champ qui les entraîne (par exemple, la direction de polarisation du champ lumineux).

Cependant, les scientifiques ont découvert que lorsque l'irradiation lumineuse est suffisamment forte, les plasmons d'un disque métallique non magnétique peuvent tourner spontanément de manière gauche ou droite, même lorsqu'il est entraîné par une lumière polarisée linéairement.

"C'était une signature que les propriétés intrinsèques du matériau avaient été altérées, " a déclaré le professeur adjoint Song. "Nous avons découvert que lorsque les champs internes puissants d'un plasmon modifient la structure de la bande électronique d'un matériau, ils transforment également le plasmon, la mise en place d'une boucle de rétroaction permettant au plasmon de manifester spontanément une chiralité."

Ce mouvement chiral du plasmon a produit une aimantation qui a ensuite fait le disque métallique non magnétique de leur schéma, magnétique.

Les scientifiques disent que l'observation clé de leur analyse théorique est que les champs électriques oscillants plasmoniques intenses peuvent modifier la dynamique des électrons dans le métal.

Le professeur agrégé Rudner a déclaré :« Du point de vue d'un électron dans un matériau, un champ électrique est un champ électrique :peu importe que ce champ oscillant ait été produit à partir de plasmons à l'intérieur du matériau lui-même ou par un laser brillant sur le matériau."

Song et Rudner ont utilisé cette idée pour démontrer théoriquement les conditions dans lesquelles la rétroaction des champs internes des plasmons pourrait déclencher une instabilité vers une magnétisation spontanée dans le système. L'équipe s'attend à ce que cette approche théorique puisse être réalisée dans une gamme de matériaux plasmoniques de haute qualité tels que le graphène.

Comportement émergent

La notion d'utilisation de la lumière pour modifier les propriétés d'un matériau a récemment attiré beaucoup d'attention scientifique. Cependant, de nombreux exemples publiés confèrent à un matériau des propriétés présentes dans l'irradiation lumineuse (par exemple, en irradiant un matériau avec une lumière polarisée circulairement, un matériau peut acquérir une chiralité ou une maniabilité) ou améliorer quantitativement une propriété qui était déjà présente dans le matériau.

Les recherches de Song et Rudner, contrairement à ces approches, est allé beaucoup plus loin, ils disent.

"Nous avons découvert que les plasmons peuvent acquérir une sorte de "vie séparée" ou "d'émergence" avec de nouvelles propriétés qui n'étaient présentes ni dans le métal qui héberge les plasmons ni dans le champ lumineux qui le conduisait, », a ajouté le professeur adjoint Song. Le comportement du plasmon était émergent dans le sens où il brisait les symétries intrinsèques à la fois du champ lumineux et du métal.

Comportement émergent, où le tout est plus que la somme de ses parties, survient lorsque de nombreuses particules interagissent les unes avec les autres pour agir de manière collective. Il est responsable d'une gamme de phases utiles de la matière telles que les ferroaimants et les supraconducteurs qui sont généralement contrôlés par la température. Les recherches de l'équipe étendent cette idée aux plasmons et mettent en avant comment elle peut être contrôlée par irradiation lumineuse.

« À un niveau plus profond, il y a beaucoup de questions fondamentales à explorer sur la nature de la brisure spontanée de symétrie hors équilibre ("émergence") que nous avons prédite, " a déclaré le professeur agrégé Rudner.

Assist Prof Song, un boursier de la National Research Foundation (NRF) de Singapour, D'accord, en disant "Peut-être le message à retenir le plus significatif de notre travail est qu'il montre que les modes collectifs peuvent présenter de nouvelles phases distinctes. Si le magnétisme plasmonique est possible, quelles autres phases de modes collectifs attendent d'être découvertes ?"