Des physiciens de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont observé pour la première fois un phénomène magnétique appelé "couple spin-orbite anormal" (ASOT). Professeur Virginia Lorenz et étudiant diplômé Wenrui Wang, maintenant diplômé et employé en tant que scientifique de l'industrie, fait cette observation, démontrant qu'il existe une compétition entre ce que l'on appelle le couplage spin-orbite et l'alignement d'un spin électronique sur l'aimantation. Cela peut être considéré comme analogue à l'effet Hall anormal (AHE).

Depuis longtemps maintenant, les physiciens ont connu des phénomènes intéressants tels que l'AHE dans lequel les spins d'une certaine espèce s'accumulent sur un bord de film. Leurs accumulations sont détectables par des mesures électriques. Ce type d'expérience nécessite que l'aimantation du film pointe perpendiculairement au plan du film. En réalité, l'effet Hall et des expériences similaires telles que l'AHE dans le passé utilisent toutes un champ magnétique appliqué (pour les échantillons non magnétiques) ou la magnétisation du film (pour les échantillons magnétiques), toujours perpendiculaire au plan du film.

Des effets comme l'AHE n'avaient pas été trouvés pour les magnétisations qui pointent dans le plan, jusqu'à maintenant.

En profitant de l'effet Kerr magnéto-optique (MOKE), qui peut sonder l'aimantation près de la surface d'un échantillon magnétique, Wang et Lorenz ont démontré qu'un courant électrique modifie l'aimantation près de la surface d'un échantillon ferromagnétique pour pointer dans une direction différente de l'aimantation de l'intérieur de l'échantillon. Il n'est pas forcément étrange que l'aimantation près de la surface puisse différer de celle à l'intérieur, comme en témoignent les expériences précédentes sur le couple spin-orbite. Cependant, les chercheurs de l'Illinois ont utilisé un film purement ferromagnétique, alors que des expériences passées sur le couple spin-orbite combinaient des ferroaimants avec des métaux qui ont une propriété appelée "couplage spin-orbite".

Cette découverte a des implications pour la technologie de mémoire magnétique écoénergétique.

Les conclusions de l'équipe sont publiées dans le 22 juillet Numéro 2019 de la revue Nature Nanotechnologie .

Magnétisme et couple spin-orbite conventionnel

Le magnétisme est omniprésent, nous l'utilisons tous les jours, par exemple, pour coller des papiers sur une porte de réfrigérateur ou pour s'assurer que nos chargeurs de téléphone ne se détachent pas prématurément.

Au microscope, le magnétisme naît d'une collection d'électrons, qui ont tous une propriété appelée spin. Le spin est une source de moment angulaire pour les électrons et son "mouvement" peut être comparé à la façon dont les toupies de jouets tournent - bien qu'en réalité, en mécanique quantique, le mouvement de spin ne ressemble à rien en mécanique classique. Pour les électrons, le spin se décline en deux espèces, officiellement appelé vrille montante et vrille descendante. Selon la façon dont les spins pointent collectivement, un matériau peut être ferromagnétique, ayant des spins d'électrons voisins pointant tous dans la même direction, ou antiferromagnétique, ayant des spins électroniques voisins pointant dans des directions opposées. Ce ne sont que deux des nombreux types de magnétisme.

Mais que se passe-t-il lorsque le magnétisme est combiné à d'autres phénomènes tels que le couplage spin-orbite ?

Lorenz note, "Il existe toute une famille d'effets générés par le simple passage d'un courant électrique à travers un échantillon et la séparation des spins. L'effet Hall anormal se produit dans les films ferromagnétiques minces et est considéré comme l'accumulation de spins sur les bords de l'échantillon. Si l'aimantation pointe hors du plan du film, c'est-à-dire perpendiculaire au plan de la surface de l'échantillon et un courant circule perpendiculairement à l'aimantation, alors des accumulations de spins peuvent être vues. Mais cela ne se produit que si le film ferromagnétique a également un couplage spin-orbite."

Le couplage spin-orbite fait que les espèces de spin - vers le haut ou vers le bas - se déplacent strictement dans certaines directions. En tant que modèle simpliste, du point de vue des électrons se déplaçant à travers un film, ils peuvent se disperser vers la gauche ou la droite si quelque chose interrompt leur mouvement. De façon intéressante, les spins sont triés en fonction de la direction dans laquelle un électron se déplace. Si les électrons diffusés à gauche ont tourné, alors les électrons diffusés à droite doivent avoir un spin vers le bas et vice versa.

Finalement, cela conduit à une accumulation de spins ascendants sur un bord du film et des spins descendants s'accumulant sur le bord opposé.

Le couple spin-orbite conventionnel (SOT) a été trouvé dans des structures bicouches d'un film ferromagnétique adjacent à un métal avec un couplage spin-orbite.

Lorenz fait remarquer, "Autrefois, cela s'est toujours produit avec deux couches. Vous n'avez pas seulement besoin d'un ferromagnétique, mais aussi une source pour que les spins se séparent pour induire un changement dans le ferromagnétique lui-même."

Si un courant traverse le métal couplé spin-orbite, les rotations ascendantes et descendantes se séparent comme dans l'AHE. Une de ces espèces de spin s'accumulera à l'interface où le ferromagnétique et le métal se rencontrent. La présence de ces spins affecte l'aimantation dans le ferromagnétique près de l'interface en y inclinant les spins.

Lorenz continue, "Il a toujours été supposé - ou du moins pas beaucoup étudié - que nous avions besoin de ces métaux avec un fort couplage spin-orbite pour voir même un changement dans le ferromagnétique."

Les résultats de l'expérience de Wang et Lorenz remettent maintenant directement en cause cette hypothèse.

Observation d'un couple spin-orbite anormal

Wang et Lorenz ont découvert qu'il n'était pas nécessaire de placer un métal avec un couplage spin-orbite adjacent au film ferromagnétique afin de générer un SOT et d'observer une magnétisation hors du plan.

Wang commente, "Notre travail révèle un phénomène de spin-orbite longtemps négligé, le couple de rotation-orbite anormal, ou ASOT, dans des matériaux ferromagnétiques métalliques bien étudiés tels que le permalloy. L'ASOT complète non seulement l'image physique des effets spin-orbite induits par le courant électrique tels que l'effet Hall anormal, mais ouvre également la possibilité d'un contrôle plus efficace du magnétisme dans les mémoires informatiques basées sur le spin."

Les chercheurs ont fait passer un courant d'un bord du film à son opposé et ont en outre forcé la magnétisation du film à pointer dans la même direction.

La physique ici est compliquée par le fait qu'il y a deux phénomènes qui sont en compétition :l'aimantation et le couplage spin-orbite. La magnétisation travaille à aligner le spin avec lui-même; l'électron tourne comme une toupie, mais avec le temps, il s'aligne avec l'aimantation et arrête sa précession. Sans couplage spin-orbite, cela signifierait que l'aimantation sur tous les bords pointerait dans la même direction. Cependant, le couplage spin-orbite travaille à maintenir la direction du spin avec le mouvement de l'électron. Lorsque le couplage spin-orbite et l'aimantation sont en concurrence, le résultat est un compromis :le spin est à mi-chemin entre les deux effets.

Professeur David Cahill, qui a également collaboré aux expériences à l'Université de l'Illinois, explique :« En fin de compte, les spins qui s'accumulent sur la surface du film finissent par pointer partiellement hors du plan de surface et les spins qui s'accumulent sur la surface opposée pointent partiellement hors du plan de surface dans la direction opposée.

Contrairement à l'AHE, l'ASOT ne peut pas être détecté électriquement, Wang et Lorenz ont donc utilisé des mesures MOKE, tirer des lasers sur deux surfaces exposées pour montrer que l'aimantation pointait hors du plan de la surface.

Lorenz attribue à son collaborateur, Professeur Xin Fan de l'Université de Denver, à la conception de cette expérience.

Fan explique, "MOKE est un effet pour décrire le changement de polarisation lorsque la lumière est réfléchie par la surface d'un matériau magnétique. Le changement de polarisation est directement corrélé à l'aimantation et la lumière a une faible profondeur de pénétration dans l'échantillon, ce qui le rend populaire à utiliser comme sonde de surface pour la magnétisation."

Mais ce n'est pas tout. Les chercheurs ont noté que l'interaction d'échange peut supprimer les effets de l'ASOT, ils ont donc soigneusement choisi un échantillon suffisamment épais pour que les rotations des deux côtés de l'échantillon ne puissent pas se forcer à pointer dans la même direction.

Wang et Lorenz ont démontré que sur les deux surfaces du film où les spins s'accumulent, la même rotation de Kerr est observée. Techniquement, la rotation de Kerr fait référence à la façon dont la lumière réfléchie change sa polarisation, ce qui est directement corrélé à la façon dont l'aimantation est tournée hors du plan du film de permalloy. C'est une preuve indiscutable de l'ASOT.

Une confirmation supplémentaire des résultats de la recherche provient de travaux théoriques. Les chercheurs ont effectué des simulations à l'aide de leur modèle phénoménologique pour montrer qu'il existe un fort accord avec leurs données. En outre, les collaborateurs théoriciens ont également utilisé la théorie de la fonctionnelle de la densité - un type de modélisation qui examine les atomes au microscope plutôt que de supposer les propriétés des objets - pour montrer un accord qualitatif avec l'expérience.

Lorenz note que Hendrick Ohldag, professeur adjoint à l'Université de Stanford et scientifique du Lawrence Lab, a apporté des contributions fondamentales à la conception de l'expérience. Lorenz dit que l'expérience a également bénéficié des contributions de collaborateurs du Illinois Materials Research Science and Engineering Center, l'Université de Denver, l'Université du Delaware, et le National Institute of Standards and Technology du Maryland et du Colorado.

Lorenz souligne, "Ce que nous avons montré maintenant, c'est qu'un ferromagnétique peut induire un changement dans sa propre magnétisation. Cela pourrait être une aubaine pour la recherche et le développement de la technologie de la mémoire magnétique."

Le fan ajoute, « Bien qu'il ait été démontré que le couple spin-orbite dans les bicouches ferromagnétique/métal a un grand potentiel dans les mémoires magnétiques de la future génération, à cause du contrôle électrique de l'aimantation, notre résultat montre que le ferromagnétique peut générer sur lui-même un très fort couple spin-orbite. Si nous pouvons exploiter correctement le couplage spin-orbite du ferromagnétique lui-même, nous pourrons peut-être construire des mémoires magnétiques plus économes en énergie. »