Une équipe internationale de physiciens de l'Université de Bielefeld, Université d'Uppsala, l'Université de Strasbourg, Université de Shanghai pour la science et la technologie, Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, ETH Zurich, et l'Université libre de Berlin ont développé une méthode précise pour mesurer le changement ultrarapide d'un état magnétique dans les matériaux. Ils le font en observant l'émission de rayonnement térahertz qui accompagne nécessairement un tel changement d'aimantation. Leur étude, intitulé "Magnétométrie térahertz ultrarapide, " est publié aujourd'hui dans Communication Nature .

Les mémoires magnétiques n'acquièrent pas seulement une capacité de plus en plus élevée en réduisant la taille des bits magnétiques, ils sont aussi de plus en plus rapides. En principe, le bit magnétique peut être retourné, c'est-à-dire il peut changer son état de un à zéro ou vice versa, sur une échelle de temps extrêmement rapide de moins d'une picoseconde. Une picoseconde (1 ps =10 ^-12 s) est un millionième d'un millionième de seconde. Cela pourrait permettre le fonctionnement de mémoires magnétiques au térahertz (1 THz =1 x 10 ¹² hertz) fréquences de commutation, correspondant à des débits de données extrêmement élevés en térabits par seconde (Tbit/s).

« Le véritable défi est de pouvoir détecter un tel changement de magnétisation de manière suffisamment rapide et sensible, " explique le Dr Dmitry Turchinovich, professeur de physique à l'Université de Bielefeld et le chef de cette étude. "Les méthodes existantes de magnétométrie ultrarapide souffrent toutes de certains inconvénients importants tels que, par exemple, fonctionnement uniquement sous ultravide, l'impossibilité de mesurer sur des matériaux encapsulés, etc. Notre idée était d'utiliser le principe de base de l'électrodynamique. Celui-ci stipule qu'un changement dans l'aimantation d'un matériau doit entraîner l'émission d'un rayonnement électromagnétique contenant toutes les informations sur ce changement d'aimantation. Si l'aimantation d'un matériau change sur une échelle de temps de la picoseconde, alors le rayonnement émis appartiendra à la gamme de fréquences térahertz. Le problème est, que ce rayonnement, connue sous le nom d'émission dipolaire magnétique, ' est très faible, et peut être facilement obscurci par l'émission de lumière d'autres origines."

Wentao Zhang, un doctorat étudiant dans le laboratoire du professeur Dmitry Turchinovich, et le premier auteur de l'article publié dit :« Cela nous a pris du temps, mais finalement nous avons réussi à isoler précisément cette émission térahertz dipolaire magnétique qui nous a permis de reconstituer de manière fiable la dynamique d'aimantation ultrarapide dans nos échantillons :des nanofilms de fer encapsulés.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont envoyé de très courtes impulsions de lumière laser sur les nanofilms de fer, provoquant leur démagnétisation très rapide. À la fois, ils collectaient la lumière térahertz émise lors d'un tel processus de démagnétisation. L'analyse de cette émission térahertz a donné l'évolution temporelle précise d'un état magnétique dans le film de fer.

« Une fois notre analyse terminée, nous avons réalisé que nous avons vu beaucoup plus que ce à quoi nous nous attendions, " poursuit Dmitry Turchinovich. " On sait déjà depuis un certain temps que le fer peut se démagnétiser très rapidement lorsqu'il est éclairé par la lumière laser. Mais ce que nous avons également vu était un assez petit, mais un signal supplémentaire très clair dans la dynamique d'aimantation. Cela nous a tous très excités. Ce signal provenait de la démagnétisation du fer, en fait entraînée par la propagation d'une impulsion sonore très rapide à travers notre échantillon. D'où vient ce son ? Très facile :lorsque le film de fer absorbe la lumière laser, il a non seulement démagnétisé, il est également devenu chaud. Comme nous le savons, la plupart des matériaux se dilatent lorsqu'ils deviennent chauds et cette expansion du nanofilm de fer a lancé une impulsion d'ultrasons térahertz dans notre structure d'échantillon. Cette impulsion sonore rebondissait entre les limites de l'échantillon, interne et externe, comme l'écho entre les murs d'une grande salle. Et chaque fois que cet écho passait à travers le nanofilm de fer, la pression du son a déplacé un peu les atomes de fer, et cela a encore affaibli le magnétisme dans le matériau. » Cet effet n'a jamais été observé auparavant sur une échelle de temps aussi ultrarapide.

« Nous sommes très heureux d'avoir pu voir si clairement ce signal de magnétisation ultrarapide à commande acoustique, et qu'il était si relativement fort. C'était incroyable que de le détecter avec le rayonnement THz, qui a une longueur d'onde inférieure au millimètre, a si bien fonctionné, car l'expansion dans le film de fer n'est que de quelques dizaines de femtomètres (1 fm =10 ^-15 m) qui est dix ordres de grandeur plus petit, " dit le Dr Peter M. Oppeneer, professeur de physique à l'université d'Uppsala, qui a dirigé la partie théorique de cette étude. Dr Pablo Maldonado, un collègue de Peter M. Oppeneer qui a effectué les calculs numériques cruciaux pour expliquer les observations de ce travail, ajoute:"Ce que je trouve extrêmement excitant, c'est une correspondance presque parfaite entre les données expérimentales et nos calculs théoriques des premiers principes. Cela confirme que notre méthode expérimentale de magnétométrie térahertz ultrarapide est en effet très précise et également suffisamment sensible, car nous avons pu distinguer clairement les signaux magnétiques ultrarapides d'origines différentes :électronique et acoustique."

Les co-auteurs restants de cette publication l'ont dédiée à la mémoire de leur collègue et pionnier dans le domaine du magnétisme ultrarapide, Dr Eric Beaurepaire de l'Université de Strasbourg. Il a été l'un des initiateurs de cette étude, mais est décédé au cours de ses dernières étapes.