Il y a plus de 100 ans, Albert Einstein et Wander Johannes de Haas ont découvert que lorsqu'ils utilisaient un champ magnétique pour inverser l'état magnétique d'une barre de fer suspendue à un fil, la barre a commencé à tourner.

Aujourd'hui, des expériences menées au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie ont vu pour la première fois ce qui se passe lorsque des matériaux magnétiques sont démagnétisés à des vitesses ultrarapides du millionième de milliardième de seconde :les atomes à la surface du matériau se déplacent, tout comme la barre de fer l'a fait. L'oeuvre, effectué au laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC, a été publié dans La nature plus tôt ce mois-ci.

Christian Dornes, un scientifique de l'ETH Zurich en Suisse et l'un des principaux auteurs du rapport, dit que cette expérience montre comment la démagnétisation ultrarapide va de pair avec ce que l'on appelle l'effet Einstein-de Haas, résoudre un mystère de longue date sur le terrain.

« J'ai appris ces phénomènes dans mes cours, mais voir de première main que le transfert de moment angulaire fait bouger quelque chose mécaniquement est vraiment cool, " dit Dornes. " Pouvoir travailler à l'échelle atomique comme celle-ci et voir relativement directement ce qui se passe aurait été un rêve total pour les grands physiciens d'il y a cent ans. "

Mer tourbillonnante de patineurs

A l'échelle atomique, un matériau doit son magnétisme à ses électrons. Dans des aimants puissants, le magnétisme provient d'une propriété quantique des électrons appelée spin. Bien que le spin de l'électron n'implique pas une rotation littérale de l'électron, l'électron agit en quelque sorte comme une petite boule de charge en rotation. Lorsque la plupart des rotations pointent dans la même direction, comme une mer de patineurs pirouettes à l'unisson, le matériau devient magnétique.

Lorsque l'aimantation du matériau est inversée avec un champ magnétique externe, la danse synchronisée des patineurs se transforme en une frénésie mouvementée, avec des danseurs qui tournent dans tous les sens. Leur moment angulaire net, qui est une mesure de leur mouvement de rotation, tombe à zéro car leurs tours s'annulent. Puisque le moment cinétique du matériau doit être conservé, il est converti en rotation mécanique, comme l'a démontré l'expérience d'Einstein-de Haas.

Tortille-toi et crie

En 1996, les chercheurs ont découvert que le zapping d'un matériau magnétique avec une intense, l'impulsion laser ultra-rapide le démagnétise presque instantanément, sur une échelle de temps femtoseconde. Cela a été un défi de comprendre ce qui arrive au moment angulaire lorsque cela se produit.

Dans ce document, les chercheurs ont utilisé une nouvelle technique au LCLS combinée à des mesures effectuées à l'ETH Zurich pour relier ces deux phénomènes. Ils ont démontré que lorsqu'une impulsion laser initie une démagnétisation ultrarapide dans un film de fer mince, le changement de moment cinétique est rapidement converti en un coup initial qui conduit à la rotation mécanique des atomes à la surface de l'échantillon.

Selon Dornes, un point important à retenir de cette expérience est que même si l'effet n'est qu'apparent en surface, cela se produit dans tout l'échantillon. Comme le moment cinétique est transféré à travers le matériau, les atomes dans la masse du matériau essaient de se tordre mais s'annulent. C'est comme si une foule de personnes entassées dans un train essayait toutes de tourner en même temps. De même que seules les personnes en marge auraient la liberté de se déplacer, seuls les atomes à la surface du matériau sont capables de tourner.

Racler la surface

Dans leur expérience, les chercheurs ont fait sauter le film de fer avec des impulsions laser pour initier une démagnétisation ultrarapide, puis l'a effleuré avec des rayons X intenses à un angle si faible qu'il était presque parallèle à la surface. Ils ont utilisé les motifs formés lorsque les rayons X se sont dispersés sur le film pour en savoir plus sur la direction du moment angulaire au cours de ce processus.

"En raison de l'angle faible des rayons X, notre expérience était incroyablement sensible aux mouvements le long de la surface du matériau, " dit Sanghoon Song, l'un des trois scientifiques du SLAC qui ont participé à la recherche. "C'était la clé pour voir le mouvement mécanique."

Pour suivre ces résultats, les chercheurs feront d'autres expériences au LCLS avec des échantillons plus complexes pour découvrir plus précisément à quelle vitesse et directement le moment angulaire s'échappe dans la structure. Ce qu'ils apprendront conduira à de meilleurs modèles de démagnétisation ultrarapide, ce qui pourrait aider au développement de dispositifs à commande optique pour le stockage de données.

Steven Johnson, un scientifique et professeur à l'ETH Zurich et à l'Institut Paul Scherrer en Suisse qui a co-dirigé l'étude, affirme que l'expertise du groupe dans des domaines autres que le magnétisme leur a permis d'aborder le problème sous un angle différent, mieux les positionner pour réussir.

"Il y a eu de nombreuses tentatives précédentes par d'autres groupes pour comprendre cela, mais ils ont échoué car ils n'ont pas optimisé leurs expériences pour rechercher ces petits effets, " dit Johnson. " Ils ont été submergés par d'autres effets beaucoup plus importants, tels que le mouvement atomique dû à la chaleur du laser. Notre expérience était beaucoup plus sensible au type de mouvement résultant du transfert de moment angulaire."