L'une des tâches les plus importantes des technologies de l'information modernes est de contrôler les directions de spin dans les aimants. Les disques durs de pointe et le stockage magnétique de grand volume utilisés dans les centres de données nécessitent une magnétisation dans les solides pour changer de direction en quelques nanosecondes, correspondant à la fréquence GHz, ou même des vitesses plus rapides. Une demande toujours croissante de vitesse d'écriture a poussé les chercheurs vers des recherches approfondies dans les techniques optiques utilisant des impulsions laser femtosecondes.

Lorsqu'il est très court, des impulsions laser intenses dans la gamme de longueurs d'onde du proche infrarouge sont absorbées par des aimants, un échange d'énergie complexe se produit entre l'électronique, treillis, et systèmes de rotation, entraînant la modification de l'anisotropie magnétique. Comprendre comment de tels transferts d'énergie internes entre sous-systèmes suite à une photoexcitation ultrarapide entraînent un changement d'anisotropie magnétique est crucial pour la mise en œuvre d'un enregistrement magnétique efficace et ultrarapide, dépassant les picosecondes ou même les femtosecondes dans le futur.

Dans ce travail, chercheurs de l'Université de Constance, L'Université de Tokyo, et l'Université d'Osaka ont montré que la photoexcitation des degrés de liberté électroniques et du réseau à des échelles de temps femtosecondes entraîne des évolutions temporelles distinctement différentes de l'anisotropie magnétique dans le ferromagnétique faible prototypique Sm 0,7 Euh 0,3 FeO 3 .

Cette orthoferrite de terre rare présente une transition dite de réorientation de spin (SRT) dans laquelle un changement de direction de spin se produit à une température critique. En irradiant l'échantillon avec une intense, impulsion laser femtoseconde dans l'infrarouge moyen réglée par résonance sur une fréquence de phonons et sondant la dynamique de spin ultrarapide due à la réorientation de spin, la SRT s'est avérée survenir avec un début retardé. Ici, la thermalisation relativement lente du réseau cristallin limite la dynamique de spin. En revanche, lors de l'excitation de la transition électronique 4f de la terre rare Sm ³⁺ ions, il a été constaté que la dynamique SRT a commencé immédiatement.

Ce résultat indique que l'anisotropie magnétique est modifiée au moyen d'un changement purement électronique sans émettre de chaleur excessive dans le système de réseau. Les données indiquent que la vitesse de cette modification d'anisotropie ultrarapide atteint une échelle de temps de dizaines de femtosecondes, beaucoup plus rapide que la dynamique de spin elle-même. Ainsi, le pompage électronique 4f peut permettre un "déclenchement" ultrarapide de la commutation de magnétisation dans les futurs dispositifs de spintronique fonctionnant en dessous d'échelles de temps de la picoseconde.

"L'influence du chauffage ultrarapide du réseau à la suite d'une photoexcitation infrarouge a été largement étudiée jusqu'à présent. Cependant, c'est la première fois que les rôles du réseau et des transitions électroniques sur l'anisotropie magnétique ultrarapide sont clairement distingués aux échelles de temps femtoseconde, " disent les auteurs.

Étant donné que les composés de métaux de transition contenant des éléments de terres rares sont parmi les aimants les plus utilisés dans le monde moderne, le schéma démontré ici devrait ouvrir la voie à une nouvelle voie non thermique vers un contrôle ultrarapide de la dynamique de spin dans une classe importante de matériaux.