Lorsqu'il est exposé à des impulsions laser intenses, l'aimantation d'un matériau peut être manipulée très rapidement. Fondamentalement, l'aimantation est liée au moment cinétique des électrons dans le matériau. Une équipe de chercheurs dirigée par des scientifiques du Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) a maintenant pu suivre en détail le flux de moment angulaire lors d'une démagnétisation optique ultrarapide dans un alliage ferrimagnétique fer-gadolinium, afin de comprendre les processus fondamentaux et leurs limites de vitesse. Les résultats ont été publiés dans Lettres d'examen physique .

Lorsque l'aimantation d'un corps ferromagnétique change, il commence à tourner - cette connexion entre l'aimantation et le moment angulaire a été observée dans une expérience d'Einstein et de Haas en 1915. Ce phénomène se produit parce qu'au niveau microscopique, l'aimantation est intrinsèquement liée au moment cinétique des électrons. Contrairement à Einstein et de Haas à l'époque, les physiciens savent maintenant que le mouvement orbital de l'électron autour du noyau atomique ainsi que son spin génèrent l'aimantation. En réalité, dans un solide ferromagnétique, le spin génère la part du lion de l'aimantation. Lorsque le moment cinétique est conservé, un changement de magnétisation doit donc être accompagné d'un changement d'autres formes de moment cinétique dans le système - dans l'expérience d'Einstein-de Haas, c'était la rotation résultante d'un aimant suspendu après que sa magnétisation ait été modifiée. Au niveau microscopique, c'est le mouvement correspondant des atomes qui constitue le réservoir final du moment cinétique.

L'éclairage avec une impulsion laser ultracourte est un moyen de démagnétiser un matériau très rapidement - pour les ferromagnétiques prototypiques en fer, cobalt et nickel, par exemple, l'aimantation s'éteint en une picoseconde environ (10 ^-12 secondes) après que l'impulsion laser a frappé le matériau. Les chercheurs se sont demandé par quels canaux le moment cinétique associé à l'aimantation est transféré vers d'autres réservoirs pendant le court laps de temps disponible.

Les scientifiques du MBI à Berlin, avec des scientifiques du Helmholtz Zentrum Berlin et de l'Université Nihon, Japon, ont pu suivre en détail ce flux de moment cinétique pour un alliage fer-gadolinium. Dans ce matériau ferrimagnétique, les atomes adjacents de fer (Fe) et de gadolinium (Gd) ont une aimantation de sens opposé. Les chercheurs ont utilisé des impulsions de rayons X ultracourtes pour surveiller l'absorption de rayons X à polarisation circulaire par les atomes Fe et Gd en fonction du temps après une excitation laser précédente. Cette approche est unique en ce qu'elle permet de suivre le moment magnétique lors de la démagnétisation ultrarapide des deux types d'atomes individuellement. En outre, il est possible de distinguer le moment angulaire stocké dans le mouvement orbital par rapport au spin des électrons lorsque les spectres d'absorption respectifs sont analysés.

Grâce à cette vision aux rayons X détaillée, les scientifiques ont découvert que le processus de démagnétisation des atomes de Gd dans l'alliage est nettement plus rapide que dans le Gd pur. Cependant, ceci n'est pas dû à un échange de moment cinétique entre les différents types d'atomes, malgré leur alignement antiparallèle. "Nous comprenons la réponse accélérée du Gd en raison des très hautes températures générées parmi les électrons au sein de l'alliage, " dit Martin Hennecke, le premier auteur de l'étude.

De façon intéressante, un « remaniement » du moment angulaire entre le spin et le mouvement orbital des électrons n'a pas pu être détecté non plus en suivant la démagnétisation induite par laser avec une résolution temporelle d'environ 100 femtosecondes (10 ^-13 secondes) - ceci est vrai localement pour tous les atomes Fe et Gd. Alors, comment le moment cinétique s'écoule-t-il? "Évidemment, tout le moment angulaire est entièrement transféré au réseau atomique, " dit Hennecke. " Conformément aux récentes prédictions théoriques, le moment angulaire de spin est d'abord transféré au mouvement orbital du même atome via l'interaction spin-orbite, mais nous ne pouvons pas le voir s'y accumuler car il se déplace directement vers le réseau atomique. et les expériences détaillées confirment maintenant que cette dernière étape de transfert n'est en effet pas un goulot d'étranglement dans le flux global de moment cinétique.

Étant donné que de courtes impulsions laser peuvent également être utilisées pour commuter en permanence la magnétisation et ainsi écrire des bits pour l'enregistrement de données magnétiques, la compréhension de la dynamique de ces mécanismes fondamentaux est pertinente pour développer de nouvelles approches pour écrire des données sur des supports de stockage de données de masse beaucoup plus rapidement que possible aujourd'hui.