Des scientifiques du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ainsi que des collègues du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) et de l'Université de Virginie ont trouvé un moyen d'écrire et de supprimer des aimants dans un alliage à l'aide d'un faisceau laser, un effet surprenant. La réversibilité du procédé ouvre de nouvelles possibilités dans les domaines de la transformation des matériaux, technologie optique, et stockage de données.

Chercheurs de la HZDR, un laboratoire de recherche allemand indépendant, étudié un alliage de fer et d'aluminium. Il est intéressant en tant que matériau prototype car des modifications subtiles de son agencement atomique peuvent complètement transformer son comportement magnétique. "L'alliage possède une structure très ordonnée, avec des couches d'atomes de fer qui sont séparées par des couches atomiques d'aluminium. Lorsqu'un rayon laser détruit cet ordre, les atomes de fer se rapprochent et commencent à se comporter comme des aimants, ", explique le physicien du HZDR Rantej Bali.

Bali et son équipe ont préparé un mince film d'alliage sur de la magnésie transparente à travers laquelle un faisceau laser a été projeté sur le film. Quand ils, en collaboration avec des chercheurs du HZB, dirigé un faisceau laser bien focalisé avec une impulsion de 100 femtosecondes (une femtoseconde est un millionième de milliardième de seconde) sur l'alliage, une zone ferromagnétique s'est formée. Tirer à nouveau des impulsions laser dans la même zone, cette fois à une intensité laser réduite, a ensuite été utilisé pour supprimer l'aimant.

Avec une seule impulsion laser à intensité réduite, environ la moitié du niveau d'aimantation précédent a été conservé, et avec une série d'impulsions laser, l'aimantation a complètement disparu. Ces observations ont été faites au synchrotron Bessy II géré par HZB à l'aide d'un microscope qui déploie des rayons X mous pour étudier le contraste magnétique.

Le scientifique a pu clarifier ce qui se passe dans l'alliage au cours de ce processus. Les simulations des collègues américains montrent que l'état ferromagnétique se forme lorsque l'impulsion laser ultra-courte chauffe le matériau en couche mince au point qu'il fond de la surface à l'interface de magnésie. Lorsque l'alliage se refroidit, il devient un liquide surfondu, restant fondu bien que la température soit descendue en dessous du point de fusion.

Cet état est le résultat d'un manque de sites de nucléation, des emplacements microscopiques où les atomes peuvent commencer à s'organiser en un réseau. Alors que les atomes se déplacent dans l'état de surfusion à la recherche de sites de nucléation, la température continue de baisser. Finalement, les atomes à l'état surfondu doivent former un réseau solide, et comme dans un jeu de chaises musicales, les atomes de fer et d'aluminium se retrouvent piégés dans des positions aléatoires dans le réseau. Le processus ne prend que quelques nanosecondes, et l'arrangement aléatoire des atomes rend un aimant.

Le même laser à intensité réduite réarrange les atomes en une structure bien ordonnée. Le tir laser le plus faible ne fait fondre que des couches minces du film, créant une piscine en fusion reposant sur l'alliage solide. Dans la nanoseconde après la fusion, et dès que la température descend en dessous du point de fusion, la partie solide du film commence à repousser, et les atomes se réarrangent rapidement de la structure liquide désordonnée au réseau cristallin. Avec le réseau déjà formé et la température étant encore assez élevée, les atomes possèdent une énergie suffisante pour diffuser à travers le réseau et se séparer en couches de fer et d'aluminium. doctorat l'étudiant Jonathan Ehrler résume :« Pour écrire les aires magnétiques, nous devons faire fondre le matériau de la surface jusqu'à l'interface, tandis que pour le supprimer, nous n'avons besoin d'en faire fondre qu'une fraction."

Dans d'autres expériences, les scientifiques veulent maintenant étudier ce processus dans d'autres alliages ordonnés. Ils souhaitent également explorer l'impact d'une combinaison de plusieurs faisceaux laser. Les effets d'interférence pourraient être utilisés pour générer des matériaux magnétiques à motifs sur de grandes surfaces. « Les changements remarquablement importants de la propriété du matériau pourraient bien conduire à des applications intéressantes, " estime Bali. Les lasers sont utilisés à de nombreuses fins différentes dans l'industrie, par exemple dans le traitement des matériaux. Cette découverte pourrait également ouvrir de nouvelles voies dans les technologies optiques et de stockage de données.