Des chercheurs de l'Université de Constance ont découvert un nouveau type de commutation magnétique ultrarapide en étudiant les fluctuations qui ont normalement tendance à interférer avec les expériences sous forme de bruit.
Le bruit à la radio lorsque la réception est mauvaise est un exemple typique de la façon dont les fluctuations masquent un signal physique. En fait, de telles interférences ou bruits se produisent dans chaque mesure physique en plus du signal réel.
"Même dans l'endroit le plus isolé de l'univers, là où il ne devrait rien y avoir du tout, il y a encore des fluctuations du champ électromagnétique", explique le physicien Ulrich Nowak.
Au Centre de Recherche Collaborative (CRC) 1432 « Fluctuations et non-linéarités dans la matière classique et quantique au-delà de l'équilibre » de l'Université de Constance, les chercheurs considèrent ce bruit omniprésent non pas comme un facteur perturbateur à éliminer, mais comme une source d'informations qui nous dit quelque chose sur le signal.
Cette approche s'est désormais révélée efficace dans l'étude des antiferromagnétiques. Les antiferromagnétiques sont des matériaux magnétiques dans lesquels les aimantations de plusieurs sous-réseaux s'annulent. Néanmoins, les isolants antiferromagnétiques sont considérés comme prometteurs pour les composants économes en énergie dans le domaine des technologies de l'information. Comme ils ne présentent pratiquement aucun champ magnétique à l’extérieur, ils sont très difficiles à caractériser physiquement. Pourtant, les antiferromagnétiques sont entourés de fluctuations magnétiques, qui peuvent nous en dire beaucoup sur ce matériau faiblement magnétique.
Dans cet esprit, les groupes des deux scientifiques des matériaux Ulrich Nowak et Sebastian Gönnenwein ont analysé les fluctuations des matériaux antiferromagnétiques dans le cadre du CRC. Le facteur décisif dans leur étude théorique et expérimentale, récemment publiée dans la revue Nature Communications , était la plage de fréquences spécifique.
"Nous mesurons des fluctuations très rapides et avons développé une méthode permettant de détecter les fluctuations sur une échelle de temps ultracourte de la femtoseconde", explique le physicien expérimental Gönnenwein. Une femtoseconde équivaut à un millionième de milliardième de seconde.
Sur des échelles de temps plus lentes, on pourrait utiliser une électronique suffisamment rapide pour mesurer ces fluctuations. Aux échelles de temps ultrarapides, cela ne fonctionne plus, c’est pourquoi une nouvelle approche expérimentale a dû être développée. Il est basé sur une idée du groupe de recherche d’Alfred Leitenstorfer, également membre du Collaborative Research Center. Utilisant la technologie laser, les chercheurs utilisent des séquences d'impulsions ou des paires d'impulsions afin d'obtenir des informations sur les fluctuations.
Initialement, cette approche de mesure a été développée pour étudier les fluctuations quantiques, et a maintenant été étendue aux fluctuations des systèmes magnétiques. Takayuki Kurihara, de l'Université de Tokyo, a joué un rôle clé dans ce développement en tant que troisième partenaire de coopération. Il a été membre du groupe de recherche Leitenstorfer et du Zukunftskolleg de l'Université de Constance de 2018 à 2020.
Dans l’expérience, deux impulsions lumineuses ultracourtes sont transmises à travers l’aimant avec un retard, testant respectivement les propriétés magnétiques pendant le temps de transit de chaque impulsion. La similarité des impulsions lumineuses est ensuite vérifiée à l’aide d’une électronique sophistiquée. La première impulsion sert de référence, la seconde contient des informations sur l'ampleur de la modification de l'antiferromagnétique entre la première et la deuxième impulsion. Des résultats de mesure différents aux deux moments confirment les fluctuations. Le groupe de recherche de Nowak a également modélisé l'expérience dans des simulations informatiques élaborées afin de mieux comprendre ses résultats.
Un résultat inattendu a été la découverte de ce que l’on appelle le bruit télégraphique sur des échelles de temps ultracourtes. Cela signifie qu'il existe non seulement du bruit non trié, mais également des fluctuations dans lesquelles le système bascule entre deux états bien définis. Une commutation aussi rapide et purement aléatoire n’a jamais été observée auparavant et pourrait être intéressante pour des applications telles que les générateurs de nombres aléatoires. Quoi qu'il en soit, les nouvelles possibilités méthodologiques d'analyse des fluctuations sur des échelles de temps ultracourtes offrent un grand potentiel pour de nouvelles découvertes dans le domaine des matériaux fonctionnels.
Plus d'informations : M. A. Weiss et al, Découverte d'une commutation de spin spontanée ultrarapide dans un antiferromagnétique par spectroscopie de corrélation de bruit femtoseconde, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-43318-8
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par l'Université de Constance
