À quelle vitesse un aimant peut-il changer d'orientation, et quels sont les mécanismes microscopiques en jeu ? Une équipe HZB de BESSY II a, pour la première fois, ont évalué expérimentalement le principal processus microscopique du magnétisme ultra-rapide. La méthodologie développée à cet effet peut également être utilisée pour étudier les interactions entre les spins et les oscillations du réseau dans le graphène, supraconducteurs ou autres matériaux quantiques.

Les interactions entre les électrons et les phonons sont considérées comme la force motrice microscopique derrière les processus d'aimantation ou de démagnétisation ultrarapides (spin flips). Cependant, il n'était pas possible jusqu'à présent d'observer en détail de tels processus ultrarapides en raison de l'absence de méthodes adaptées.

Maintenant, une équipe dirigée par le professeur Alexander Föhlisch a développé une méthode originale pour déterminer expérimentalement le taux de diffusion par basculement de spin induit par les électrons-phonons dans deux systèmes modèles :le nickel ferromagnétique et le cuivre non magnétique. Pour ce faire, ils ont utilisé la spectroscopie d'émission de rayons X (XES) à BESSY II. Les rayons X ont excité les électrons du noyau dans les échantillons (Ni ou Cu) pour créer les trous dits du noyau, qui ont ensuite été remplis par la désintégration des électrons de valence. Cette décroissance se traduit par l'émission de lumière, qui peuvent ensuite être détectés et analysés. Les échantillons ont été mesurés à différentes températures pour observer les effets des vibrations du réseau (phonons) augmentant de la température ambiante à 900 degrés Celsius.

Au fur et à mesure que la température augmentait, le nickel ferromagnétique a montré une forte diminution des émissions. Cette observation cadre bien avec la simulation théorique des processus dans la structure de bande électronique du nickel après excitations :En augmentant la température et donc, la population de phonons, le taux de diffusion entre les électrons et les phonons augmente. Les électrons dispersés ne sont plus disponibles pour la désintégration, ce qui entraîne une diminution de l'émission lumineuse. Comme prévu, dans le cas du cuivre diamagnétique, les vibrations du réseau n'avaient pratiquement aucune influence sur les émissions mesurées.

"Nous pensons que notre article est d'un grand intérêt non seulement pour les spécialistes dans les domaines du magnétisme, propriétés électroniques des solides et spectroscopie d'émission de rayons X, mais aussi à un lectorat plus large curieux des derniers développements dans ce domaine de recherche dynamique, " dit le Dr Régis Decker, premier auteur et chercheur postdoctoral dans l'équipe Föhlisch. La méthode peut également être utilisée pour l'analyse des processus de retournement de spin ultrarapides dans de nouveaux matériaux quantiques tels que le graphène, supraconducteurs ou isolants topologiques.