Les scientifiques ont révélé comment les vibrations et les spins du réseau communiquent entre eux dans une excitation hybride connue sous le nom d'électromagnon. Pour y parvenir, ils ont utilisé une combinaison unique d’expériences au laser à électrons libres à rayons X SwissFEL. Comprendre ce processus fondamental au niveau atomique ouvre la porte à un contrôle ultra-rapide du magnétisme avec la lumière.
Au sein du réseau atomique d’un solide, les particules et leurs diverses propriétés coopèrent dans des mouvements ondulatoires appelés excitations collectives. Lorsque les atomes d’un réseau tremblent ensemble, l’excitation collective est appelée phonon. De même, lorsque les rotations atomiques (la magnétisation des atomes) se déplacent ensemble, on parle de magnon.
La situation devient plus complexe. Certaines de ces excitations collectives communiquent entre elles dans des excitations dites hybrides. Une de ces excitations hybrides est un électromagnon. Les électromagnons tirent leur nom de leur capacité à exciter les spins atomiques en utilisant le champ électrique de la lumière, contrairement aux magnons conventionnels :une perspective passionnante pour de nombreuses applications techniques. Pourtant, leur vie secrète au niveau atomique n'est pas bien comprise.
On soupçonne que lors d'un électromagnon, les atomes du réseau bougent et les spins vacillent dans une excitation qui est essentiellement une combinaison d'un phonon et d'un magnon. Pourtant, depuis leur première proposition en 2006, seul le mouvement de rotation a été mesuré. La manière dont les atomes du réseau se déplacent – si tant est qu’ils bougent – reste un mystère. Il comprend également comment les deux composants communiquent entre eux.
Grâce à une série d'expériences sophistiquées menées au laser à électrons libres suisse SwissFEL, des chercheurs du PSI ont ajouté ces pièces manquantes au puzzle. "Grâce à une meilleure compréhension du fonctionnement de ces excitations hybrides, nous pouvons désormais commencer à étudier les possibilités de manipuler le magnétisme à une échelle de temps ultra-rapide", explique Urs Staub, responsable du groupe Microscopie et magnétisme au PSI, qui a dirigé l'étude.
Dans leurs expériences au SwissFEL, les chercheurs ont utilisé une impulsion laser térahertz pour induire un électromagnon dans un cristal d'hexaferrite multiferroïque. À l’aide d’expériences de diffraction des rayons X résolues en temps, ils ont ensuite pris des instantanés ultrarapides de la façon dont les atomes et les spins se déplaçaient en réponse à l’excitation. Grâce à cela, ils ont prouvé que les atomes du réseau se déplacent réellement dans un électro-aimant et ont révélé comment l'énergie est transférée entre le réseau et le spin.
Un résultat frappant de leur étude est que les atomes se déplacent en premier, les spins se déplaçant légèrement plus tard. Lorsque l'impulsion térahertz frappe le cristal, le champ électrique met les atomes en mouvement, initiant la partie phononique de l'électromagnon. Ce mouvement crée un champ magnétique efficace qui déplace ensuite les spins.
"Nos expériences ont révélé que l'excitation ne déplace pas directement les spins. On ne savait pas si cela serait le cas auparavant", explique Hiroki Ueda, scientifique sur la ligne de lumière au SwissFEL et premier auteur de la publication.
En allant plus loin, l'équipe pourrait également quantifier la quantité d'énergie que la composante phononique acquiert à partir de l'impulsion térahertz et la quantité d'énergie que la composante magnonique acquiert à travers le réseau. "Il s'agit d'une information importante pour les applications futures dans lesquelles on cherche à piloter le système magnétique", ajoute Ueda.
La clé de leur découverte était la capacité de mesurer à la fois les mouvements atomiques et les spins dans des expériences complémentaires de diffraction des rayons X résolues en temps sur les lignes de lumière de rayons X durs et mous du SwissFEL.
À l’aide de rayons X durs à la station expérimentale Bernina, l’équipe a étudié le mouvement des atomes au sein du réseau. La configuration récemment développée de la station expérimentale, comprenant des chambres d'échantillons spécialement conçues, permet des mesures ultrarapides uniques utilisant des champs térahertz dans des solides à très basse température.
Pour étudier le mouvement des spins, l’équipe a utilisé des rayons X mous, plus sensibles aux changements dans les systèmes magnétiques. Ces expériences ont été réalisées à la station expérimentale de Furka, récemment entrée en exploitation. En adaptant l'énergie des rayons X à une résonance dans le matériau, ils pourraient se concentrer spécifiquement sur le signal provenant des spins, une information généralement masquée.
"La mesure de la partie phononique seule à Bernina a constitué un grand pas en avant. Pouvoir également accéder au mouvement magnétique avec Furka est une possibilité expérimentale qui n'existe presque nulle part ailleurs dans le monde", commente Staub.
Ueda, Staub et ses collègues ont permis de comprendre l'origine microscopique d'un électromagnon. Cette compréhension est importante non seulement pour ce processus physique mais dans un sens plus général.
Les interactions fondamentales entre le réseau et les spins sous-tendent de nombreux effets physiques qui donnent naissance à des propriétés matérielles inhabituelles et potentiellement très utiles :par exemple, la supraconductivité à haute température. Ce n'est qu'avec une meilleure compréhension de ces effets que l'on peut prendre le contrôle.
L'étude est publiée dans la revue Nature Communications .
Plus d'informations : Hiroki Ueda et al, Dynamique hors équilibre du couplage spin-réseau, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-43581-9
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par l'Institut Paul Scherrer
