Fig. 1 :Image simple des réservoirs d'électrons d'atomes magnétiques dans un alliage de CoPt. A Cobalt (Co), le nombre d'électrons spin-down (rouge) autour des atomes de Co est nettement inférieur à celui des électrons spin-up (bleu). Par conséquent, l'espace disponible pour absorber d'autres électrons de spin-down est plus grand. Déclenché par l'excitation optique, les électrons spin-down peuvent être transférés des sites Platine (Pt) vers les sites Co (procédé OSTR), qui remplit le réservoir respectif et conduit à la démagnétisation en Co. Au niveau des atomes de Pt, en raison de la force de couplage spin-orbite élevée, des basculements de spin efficaces peuvent déjà être observés dans les 10 à 100 premières femtosecondes après l'excitation optique, équilibrer rapidement le nombre d'électrons de spin-down et de spin-up. Crédit :Fig. MBI
Alliant expérience et théorie, des chercheurs du Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) et du Max Planck Institute of Microstructure Physics ont expliqué comment les impulsions laser peuvent manipuler la magnétisation via un transfert ultrarapide d'électrons entre les atomes.
Les films nanométriques de matériaux magnétiques sont des substrats de test idéaux pour étudier les problèmes fondamentaux du magnétisme. De tels films magnétiques minces ont d'importantes applications technologiques, par exemple, ils sont utilisés dans les dispositifs de stockage de données de masse magnétiques utilisés dans les centres de stockage de données en nuage. Dans la technologie actuelle, l'aimantation dans ces couches minces est manipulée via des champs magnétiques, mais il est également possible d'influencer l'aimantation à l'aide d'impulsions laser. Lorsqu'il est exposé à des impulsions lumineuses ultracourtes d'une durée de quelques dizaines de femtosecondes seulement (1 femtoseconde =1 millionième de milliardième de seconde), l'aimantation sous le spot laser change. Dans les systèmes simples, ce changement correspond souvent à une simple diminution de l'amplitude de l'aimantation. Dans les systèmes matériels plus complexes, cependant, l'impulsion lumineuse peut également inverser en permanence l'aimantation. Dans ces cas, les scientifiques parlent de commutation de magnétisation tout optique avec des applications potentielles évidentes. La vitesse remarquable de ce processus de commutation n'est pas encore comprise. Pour cette raison, des groupes de recherche du monde entier étudient les processus microscopiques qui sous-tendent le femtomagnétisme.
Des chercheurs du Max Born Institute de Berlin et du Max Planck Institute for Microstructure Physics à Halle, combinant travaux expérimentaux et théoriques, ont maintenant assisté à un nouveau processus microscopique, appelé transport optique intersite de spin (OISTR), cela n'a été prédit que récemment. Le processus peut se produire lorsque des atomes appropriés de différents types sont adjacents dans un solide. Dans des conditions convenables, une impulsion lumineuse déclenche un déplacement d'électrons d'un atome à son voisin. Surtout, cela se produit principalement avec des électrons d'une orientation de spin particulière, et influence ainsi l'aimantation locale. Ce processus a lieu lors de l'excitation optique et ne dépend pas de mécanismes secondaires. Il est, donc, le processus le plus rapide imaginable conduisant à un changement de magnétisme induit par la lumière.
Un atome dans un solide qui est magnétisé peut être représenté comme ayant des réservoirs séparés d'électrons de spin-up et de spin-down, qui sont remplis dans une mesure différente. Pour un atome de Cobalt (Co) et de Platine (Pt) voisins l'un de l'autre dans un alliage CoPt, ceci est esquissé sur la figure 1. La différence du nombre d'électrons de spin-up et de spin-down (dessinés en rouge et en bleu) détermine la quantité d'aimantation de l'atome. Si l'aimantation est réduite, le nombre des deux types de spin doit s'égaliser. Un processus bien connu pour niveler les deux réservoirs à un atome est un spin-flip, dans lequel, par exemple, un électron de spin-down se transforme en un électron de spin-up, représenté par un saut du seau bleu dans le seau rouge de la figure 1. Ces basculements de spin se produisent principalement sur des atomes lourds comme Pt, où le spin réagit de manière particulièrement sensible sur le mouvement de l'électron, les physiciens parlent d'un grand couplage spin-orbite. Le moment angulaire émis dans ce processus de bascule de spin est absorbé par l'ensemble du réseau d'atomes du solide.
Fig. 2 :Modifications ultrarapides mesurées (a) et calculées (b) de l'absorption dépendante de l'hélicité à la résonance Co à une énergie photonique de 60,3 eV pour un film de Co (jaune) et un alliage CoPt (bleu). Le rayonnement polarisé circulairement à droite sonde principalement les changements relatifs dans les occupations des électrons de spin-down. La réduction de l'absorption est par conséquent une mesure directe d'un remplissage ultrarapide et efficace des états de spin-down inoccupés de Co. Ce remplissage se produit via des électrons de spin-down transférés optiquement provenant de Pt. Crédit :MBI
Dans la présente étude, publié dans la revue Communication Nature , les chercheurs ont étudié deux systèmes modèles, une couche de Co pur et un alliage CoPt. L'équipe a surveillé l'absorption d'impulsions ultracourtes de rayons X mous avec une longueur d'onde et une polarisation contrôlées après une excitation d'impulsion laser et a comparé leurs résultats expérimentaux aux calculs théoriques, comme le montre la figure 2. De cette façon, les changements du nombre d'électrons avec spin-up et spin-down déclenchés par l'impulsion laser initiale pourraient être étudiés séparément pour les atomes de Co et de Pt.
La comparaison entre le système simple contenant exclusivement des atomes de Co (panneaux de gauche sur la figure 2) et l'alliage, contenant à la fois des atomes de Co et de Pt (panneaux de droite) montre des différences prononcées dans le comportement d'absorption, qui sont prédites indépendamment par les calculs théoriques. Ces différences surviennent car dans l'alliage CoPt, un processus supplémentaire peut avoir lieu dans lequel des électrons sont transférés entre les différents types d'atomes voisins.
En raison de l'impulsion laser, les électrons dans le solide sont transférés des atomes de Pt aux atomes de Co. Il s'avère que ce sont préférentiellement des électrons spin-down, car de nombreux états vides pour les électrons de spin-down sont disponibles sur le site de réception du Co. A l'atome de Co, les électrons transférés, Donc, augmenter le niveau des électrons de spin-down (rouge sur la figure 2), le rendant plus similaire au réservoir de spin-up et réduisant ainsi le moment magnétique de l'atome de Co. Ce processus OISTR entre Pt et Co s'accompagne d'un nivellement des réservoirs d'électrons localement au niveau des atomes de Pt via des basculements de spin. Ce basculement de spin se produit efficacement sur les atomes de Pt lourds présentant un grand couplage spin-orbite et seulement dans une moindre mesure sur les atomes de Co plus légers.
Les résultats détaillés de l'étude montrent que la capacité de manipuler optiquement l'aimantation via le transport de spin intersite optique dépend de manière cruciale des états disponibles pour les électrons de spin-up et de spin-down des atomes impliqués. Ces états peuvent être adaptés en rassemblant les bons types d'atomes dans de nouveaux matériaux. La compréhension des mécanismes microscopiques impliqués dans la manipulation optique de l'aimantation, Donc, ouvre la voie à une conception rationnelle de nouveaux matériaux magnétiques fonctionnels, permettant un contrôle ultrarapide de la magnétisation via des impulsions laser.
