Que se passe-t-il lorsque de très courtes impulsions de lumière laser frappent un matériau magnétique ? Une vaste collaboration internationale dirigée par le laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) a tenté de répondre à cette question. Comme ils viennent de le signaler dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , le laser a supprimé l'ordre magnétique sur l'ensemble du matériau pendant plusieurs picosecondes, ou des billions de seconde. Comprendre comment les corrélations magnétiques changent sur des échelles de temps ultrarapides est la première étape pour pouvoir contrôler le magnétisme de manière orientée application. Par exemple, avec un tel contrôle, nous pouvons être en mesure d'écrire plus rapidement des données sur des dispositifs de mémoire ou d'améliorer la supraconductivité (le phénomène dans lequel un matériau conduit l'électricité sans perte d'énergie), qui rivalise souvent avec d'autres états comme le magnétisme.

Le matériau étudié était l'oxyde de strontium iridium (Sr 3 Je 2 O 7 ), un antiferromagnétique avec une structure cristalline bicouche et une grande anisotropie magnétique. Dans un antiferromagnétique, les moments magnétiques, ou spins électroniques, aligner dans des directions opposées aux spins voisins. L'anisotropie signifie que les spins doivent payer un coût énergétique pour tourner dans n'importe quelle direction aléatoire ; ils veulent vraiment s'asseoir pointant vers le haut ou vers le bas dans la structure cristalline. Le groupe de diffusion des rayons X de la division Physique de la matière condensée et science des matériaux (CMPMS) de Brookhaven Lab a déjà étudié ce matériau (et un composé frère monocouche, Sr 2 IrO 4 ), ils sont donc entrés dans cette étude avec une bonne compréhension de son état d'équilibre.

« Les impulsions laser très courtes perturbent le système, détruire son ordre magnétique, " a déclaré le premier auteur Daniel Mazzone, ancien membre du groupe et maintenant instrumentiste au spectromètre d'analyse d'énergie multiple à angle continu (CAMEA) de l'Institut Paul Scherrer en Suisse. "Dans cette étude, nous étions intéressés à voir comment le système se détend pour revenir à son état normal. Nous savions que la relaxation se produit sur une échelle de temps très rapide, et pour prendre une photo de quelque chose qui bouge très vite, nous avons besoin d'impulsions d'illumination très brèves. Avec une source laser à électrons libres à rayons X, nous pouvons générer des impulsions suffisamment courtes pour voir le mouvement des atomes et des molécules. De telles sources n'existent qu'à cinq endroits dans le monde :aux États-Unis, Japon, Corée, Allemagne, et la Suisse."

Dans cette étude, l'équipe a mené des expériences dans deux des cinq installations. Au SPring-8 Angstrom Compact Laser à électrons libres (SACLA) au Japon, ils ont réalisé une diffusion élastique résonnante des rayons X résolue en temps (tr-REXS). À l'instrument pompe-sonde à rayons X de la source de lumière cohérente Linac - une installation utilisateur du bureau scientifique du DOE au SLAC National Accelerator Laboratory - les scientifiques ont effectué une diffusion de rayons X inélastique résonnante résolue dans le temps (tr-RIXS). Dans les deux techniques de diffusion, Les rayons X (sonde) frappent le matériau presque immédiatement après l'impulsion laser (pompe). En mesurant l'énergie et l'angle des particules de lumière diffusées (photons), les scientifiques peuvent déterminer la structure électronique du matériau et donc la configuration magnétique. Dans ce cas, l'énergie des rayons X a été réglée pour être sensible aux électrons autour des atomes d'iridium, qui entraînent le magnétisme dans ce matériau. Alors que tr-REXS peut révéler le degré d'ordre magnétique à longue portée, tr-RIXS peut fournir une image des interactions magnétiques locales.

"Afin d'observer le comportement détaillé des spins, nous devons mesurer le changement d'énergie des rayons X avec une très grande précision, " a expliqué l'auteur co-correspondant Mark Dean, un physicien dans le groupe de diffusion des rayons X de la division CMPMS. "Faire cela, nous avons construit et installé un spectromètre à rayons X motorisé au SLAC."

Leurs données ont révélé comment les interactions magnétiques sont supprimées non seulement localement mais partout. Cette suppression persiste pendant des picosecondes avant que l'ordre magnétique ne revienne à son état antiferromagnétique initial.

"Le système bicouche n'a pas de moyens énergétiquement peu coûteux pour déformer l'état magnétique, " a expliqué Dean. " Il se coince dans ce goulot d'étranglement où le magnétisme est hors d'équilibre et ne se rétablit pas, du moins pas aussi rapidement que dans le système monocouche."

"Pour la plupart des applications, comme le stockage de données, vous voulez une commutation magnétique rapide, " a ajouté Mazzone. "Nos recherches suggèrent des systèmes où les spins peuvent pointer la direction la mieux adaptée pour manipuler le magnétisme."

Prochain, l'équipe prévoit d'examiner des matériaux connexes et espère manipuler le magnétisme de manière plus ciblée, par exemple, changer la force avec laquelle deux spins voisins se "parlent".

"Si nous pouvons changer la distance entre deux tours et voir comment cela affecte leur interaction, Ce serait vraiment cool, " a déclaré Mazzone. " Avec une compréhension de la façon dont le magnétisme évolue, nous pourrions le modifier, peut-être générer de nouveaux états."