Excitation de Magnon. Crédit :Daria Sokol/MIPT
Des physiciens du MIPT et du Russian Quantum Center, rejoints par des collègues de l'Université d'État de Saratov et de l'Université technologique du Michigan, ont démontré de nouvelles méthodes pour contrôler les ondes de spin dans des films de grenat de fer-bismuth nanostructurés via de courtes impulsions laser. Présenté dans Lettres nano , la solution a un potentiel pour des applications dans le transfert d'informations à haut rendement énergétique et l'informatique quantique basée sur le spin.
Le spin d'une particule est son moment cinétique intrinsèque, qui a toujours une direction. Dans les matériaux magnétisés, les tours pointent tous dans une direction. Une perturbation locale de cet ordre magnétique s'accompagne de la propagation d'ondes de spin, dont les quanta sont appelés magnons.
Contrairement au courant électrique, la propagation des ondes de spin n'implique pas de transfert de matière. Par conséquent, l'utilisation de magnons plutôt que d'électrons pour transmettre l'information entraîne des pertes thermiques beaucoup plus faibles. Les données peuvent être codées dans la phase ou l'amplitude d'une onde de spin et traitées via une interférence d'onde ou des effets non linéaires.
Des composants logiques simples basés sur des magnons sont déjà disponibles comme exemples de dispositifs. Cependant, l'un des défis de la mise en œuvre de cette nouvelle technologie est la nécessité de contrôler certains paramètres d'onde de spin. A bien des égards, exciter les magnons optiquement est plus pratique que par d'autres moyens, avec l'un des avantages présentés dans l'article récent de Lettres nano .
Les chercheurs ont excité des ondes de spin dans un grenat de fer bismuth nanostructuré. Même sans nanopatterning, ce matériau a des propriétés optomagnétiques uniques. Il se caractérise par une faible atténuation magnétique, permettant aux magnons de se propager sur de grandes distances même à température ambiante. Il est également très transparent optiquement dans le proche infrarouge et a une constante de Verdet élevée.
Le film utilisé dans l'étude avait une structure élaborée :une couche inférieure lisse avec un réseau unidimensionnel formé sur le dessus, avec une période de 450 nanomètres. Cette géométrie permet l'excitation de magnons avec une distribution de spins très spécifique, ce qui n'est pas possible pour un film non modifié.
Représentation schématique de l'excitation des ondes de spin par des impulsions optiques. L'impulsion de pompe laser génère des magnons en perturbant localement l'ordre des spins - représentés par des flèches violettes - dans le grenat de fer bismuth (BiIG). Une impulsion de sonde est ensuite utilisée pour récupérer des informations sur les magnons excités. GGG désigne le grenat de gallium et de gadolinium, qui sert de substrat Crédit :Alexander Chernov et al./Nano Letters
Pour exciter la précession d'aimantation, l'équipe a utilisé des impulsions laser de pompe polarisées linéairement, dont les caractéristiques affectaient la dynamique de spin et le type d'ondes de spin générées. Surtout, l'excitation des ondes résultait d'effets optomagnétiques plutôt que thermiques.
Les chercheurs se sont appuyés sur des impulsions de sonde de 250 femtosecondes pour suivre l'état de l'échantillon et extraire les caractéristiques des ondes de spin. Une impulsion de sonde peut être dirigée vers n'importe quel point de l'échantillon avec un retard souhaité par rapport à l'impulsion de pompe. Cela donne des informations sur la dynamique d'aimantation en un point donné, qui peut être traité pour déterminer la fréquence spectrale de l'onde de spin, taper, et d'autres paramètres.
Contrairement aux méthodes précédemment disponibles, la nouvelle approche permet de contrôler l'onde générée en faisant varier plusieurs paramètres de l'impulsion laser qui l'excite. En plus de ça, la géométrie du film nanostructuré permet de localiser le centre d'excitation en un spot d'environ 10 nanomètres. Le nanomotif permet également de générer plusieurs types distincts d'ondes de spin. L'angle d'incidence, la longueur d'onde et la polarisation des impulsions laser permettent l'excitation résonante des modes guides d'onde de l'échantillon, qui sont déterminés par les caractéristiques de la nanostructure, ainsi le type d'ondes de spin excitées peut être contrôlé. Il est possible de faire varier indépendamment chacune des caractéristiques associées à l'excitation optique pour produire l'effet recherché.
« La nanophotonique ouvre de nouvelles possibilités dans le domaine du magnétisme ultrarapide, " a déclaré le co-auteur de l'étude, Alexandre Tchernov, qui dirige le laboratoire d'hétérostructures magnétiques et de spintronique du MIPT. "La création d'applications pratiques dépendra de la capacité à aller au-delà de l'échelle submicrométrique, augmenter la vitesse de fonctionnement et la capacité de multitâche. Nous avons montré un moyen de surmonter ces limitations en nanostructurant un matériau magnétique. Nous avons réussi à localiser la lumière dans un spot de quelques dizaines de nanomètres de diamètre et à exciter efficacement des ondes de spin stationnaires de divers ordres. Ce type d'ondes de spin permet aux appareils de fonctionner à des fréquences élevées, jusqu'à la gamme térahertz."
L'article démontre expérimentalement une efficacité de lancement améliorée et une capacité à contrôler la dynamique de spin sous excitation optique par de courtes impulsions laser dans un film spécialement conçu à nanomotifs de grenat de fer bismuth. Il ouvre de nouvelles perspectives pour le traitement des données magnétiques et le calcul quantique basés sur des oscillations de spin cohérentes.
