Sonder les matériaux magnétiques avec un rayonnement ultraviolet extrême permet d'obtenir une image microscopique détaillée de la façon dont les systèmes magnétiques interagissent avec la lumière, le moyen le plus rapide de manipuler un matériau magnétique. Une équipe de chercheurs dirigée par l'Institut Max Born a maintenant fourni les bases expérimentales et théoriques pour interpréter de tels signaux spectroscopiques. Les résultats ont été publiés dans Lettres d'examen physique .

L'étude de l'interaction entre la lumière et la matière est l'un des moyens les plus puissants pour aider les physiciens à comprendre le monde microscopique. Dans les matériaux magnétiques, une mine d'informations peut être récupérée par spectroscopie optique où l'énergie des particules lumineuses individuelles - les photons - promeut les électrons de la couche interne à des énergies plus élevées. En effet, une telle approche permet d'obtenir les propriétés magnétiques séparément pour les différents types d'atomes dans le matériau magnétique et permet aux scientifiques de comprendre le rôle et l'interaction des différents constituants. Cette technique expérimentale, appelée spectroscopie de dichroïsme circulaire magnétique à rayons X (XMCD), a été mis au point à la fin des années 1980 et nécessite généralement une installation à grande échelle - une source de rayonnement synchrotron ou un laser à rayons X.

Pour étudier comment la magnétisation répond aux impulsions laser ultracourtes, le moyen le plus rapide de contrôler de manière déterministe les matériaux magnétiques, des sources de laboratoire à plus petite échelle sont devenues disponibles ces dernières années, délivrant des impulsions ultracourtes dans la gamme spectrale ultraviolette extrême (XUV). photons XUV, étant moins énergique, exciter les électrons moins fortement liés dans le matériau, posant de nouveaux défis pour l'interprétation des spectres résultants en termes de magnétisation sous-jacente dans le matériau.

Une équipe de chercheurs de l'Institut Max Born de Berlin et des chercheurs de l'Institut Max-Planck de physique des microstructures à Halle et de l'Université d'Uppsala en Suède ont maintenant fourni une analyse détaillée de la réponse magnéto-optique des photons XUV. Ils ont combiné des expériences avec des calculs ab initio, qui ne prennent que les types d'atomes et leur disposition dans le matériau comme information d'entrée. Pour les éléments magnétiques prototypiques en fer, cobalt et nickel, ils ont pu mesurer en détail la réponse de ces matériaux au rayonnement XUV. Les scientifiques constatent que les signaux observés ne sont pas simplement proportionnels au moment magnétique de l'élément respectif, et que cet écart se reproduit en théorie lorsque l'on tient compte des effets de champ dits locaux. Sangeeta Sharma, qui a fourni la description théorique, explique :« Les effets de champ locaux peuvent être compris comme un réarrangement transitoire de la charge électronique dans le matériau, causé par le champ électrique du rayonnement XUV utilisé pour l'enquête. La réponse du système à cette perturbation doit être prise en compte lors de l'interprétation des spectres."

Cette nouvelle perspective permet désormais de démêler quantitativement les signaux de différents éléments dans un même matériau. "Comme la plupart des matériaux magnétiques fonctionnels sont constitués de plusieurs éléments, cette compréhension est cruciale pour étudier de tels matériaux, surtout quand on s'intéresse à la réponse dynamique plus complexe lors de leur manipulation avec des impulsions laser, " dit Félix Willems, le premier auteur de l'étude. "Combinant expérience et théorie, nous sommes maintenant prêts à étudier comment les processus microscopiques dynamiques peuvent être utilisés pour obtenir l'effet souhaité, comme la commutation de l'aimantation sur une échelle de temps très courte. C'est d'un intérêt à la fois fondamental et appliqué."