Maîtriser la rotation des électrons : les sondes haute fréquence révèlent les mystères magnétiques.

Tunable ultrafast EUV HHG captures the competing dynamics of spin-flips and spin-transfers in a Heusler Co2MnGa compound. Credit: Steven Burrows/Murnane and Kapteyn Groups

Une recherche révolutionnaire permet un contrôle précis des spins électroniques dans les matériaux magnétiques, une étape importante vers le développement de l'électronique plus rapide et plus efficace.

Au cœur de chaque matériau magnétique, les électrons dansent selon la musique invisible de la mécanique quantique. Leurs spins, semblables à de minuscules toupies atomiques, dictent le comportement magnétique du matériau qu'ils habitent. Ce ballet microscopique est la pierre angulaire des phénomènes magnétiques, et c'est grâce à ces spins qu'une équipe de chercheurs du JILA - dirigée par les chercheurs du JILA et les professeurs de physique de l'Université du Colorado à Boulder, Margaret Murnane et Henry Kapteyn - a appris à contrôler avec une précision remarquable, redéfinissant ainsi l'avenir de l'électronique et du stockage de données.

Comme rapporté dans un récent article de Science Advances, l'équipe du JILA et des collaborateurs d'universités en Suède, en Grèce et en Allemagne ont étudié la dynamique de spin dans un matériau spécial appelé un composé de Heusler : un mélange de métaux qui se comporte comme un matériau magnétique unique. Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé un composé de cobalt, de manganèse et de gallium, qui se comporte comme un conducteur d'électrons dont les spins sont alignés vers le haut et comme un isolant pour les électrons dont les spins sont alignés vers le bas.

En utilisant une forme de lumière appelée génération d'harmoniques élevées en ultraviolet extrême (EUV HHG) comme sonde, les chercheurs ont pu suivre les réorientations des spins à l'intérieur du matériau après l'avoir excité avec un laser femtoseconde, ce qui a entraîné un changement de ses propriétés magnétiques. La clé pour interpréter avec précision les réorientations des spins était la capacité d'ajuster la couleur de la sonde EUV HHG.

"Dans le passé, les gens n'ont pas fait cette adaptation de couleur d'HHG", a expliqué la co-première auteure et étudiante diplômée du JILA, Sinéad Ryan. "D'habitude, les scientifiques ne mesuraient le signal qu'à quelques couleurs différentes, peut-être une ou deux par élément magnétique au maximum." Pour la première fois dans l'histoire, l'équipe du JILA a ajusté leur sonde de lumière EUV à travers les résonances magnétiques de chaque élément dans le composé pour suivre les changements de spin avec une précision atteignant les femtosecondes (un milliardième de seconde).

"En plus de cela, nous avons également modifié la fluence d'excitation laser, donc nous avons changé la puissance que nous avons utilisée pour manipuler les spins", a expliqué Ryan, soulignant que cette étape était également une première expérimentale pour ce type de recherche. En modifiant la puissance, les chercheurs ont pu influencer les changements de spin dans le composé.

Grâce à leur approche novatrice, les chercheurs ont collaboré avec le théoricien et co-premier auteur Mohamed Elhanoty de l'Université d'Uppsala, qui a visité le JILA, pour comparer les modèles théoriques de changements de spin à leurs données expérimentales. Leurs résultats ont montré une forte correspondance entre les données et la théorie. "Nous avons eu le sentiment d'avoir établi une nouvelle norme avec l'accord entre la théorie et l'expérience", a ajouté Ryan.

Pour plonger dans la dynamique de spin de leur composé de Heusler, les chercheurs ont apporté un outil innovant : des sondes d'harmoniques élevées en ultraviolet extrême. Pour produire les sondes, les chercheurs ont focalisé la lumière laser de 800 nanomètres dans un tube rempli de gaz néon, où le champ électrique du laser a arraché les électrons de leurs atomes puis les a repoussés. Lorsque les électrons revenaient en arrière, ils agissaient comme des élastiques relâchés après avoir été étirés, créant des éclats de lumière violette à une fréquence (et une énergie) plus élevée que le laser qui les a expulsés. Ryan a ajusté ces éclats pour résonner avec les énergies du cobalt et du manganèse dans l'échantillon, mesurant les dynamiques de spin spécifiques aux éléments et les comportements magnétiques à l'intérieur du matériau que l'équipe pouvait manipuler davantage.

Dans leur expérience, les chercheurs ont découvert qu'en ajustant la puissance du laser d'excitation et la couleur (ou l'énergie du photon) de leur sonde EUV, ils pouvaient déterminer quels effets de spin dominaient à différents moments dans leur composé. Ils ont comparé leurs mesures à un modèle de calcul complexe appelé théorie de la fonctionnelle de densité dépendante du temps (TD-DFT). Ce modèle prédit comment un nuage d'électrons dans un matériau évoluera de moment en moment lorsqu'il sera exposé à diverses entrées.

Using the TD-DFT framework, Elhanoty found agreement between the model and the experimental data due to competing spin effects within the Heusler compound: spin flips up or down and spin transfers. The spin flips happen within one element in the sample as the spins shift their orientation from up to down and vice versa. In contrast, spin transfers happen within multiple elements, in this case, cobalt and manganese, as they transfer spins between each other, causing each material to become more or less magnetic as time progresses. “What he [Elhanoty] found in the theory was that the spin flips were quite dominant on early timescales, and then the spin transfers became more dominant,” explained Ryan. “Then, as time progressed, more de-magnetization effects take over, and the sample de-magnetizes.”

Understanding which effects were dominant at which energy levels and times allowed the researchers to understand better how spins could be manipulated to give materials more powerful magnetic and electronic properties.

“There’s this concept of spintronics, which takes the electronics that we currently have, and instead of using only the electron’s charge, we also use the electron’s spin,” elaborated Ryan. “So, spintronics also have a magnetic component. Using spin instead of electronic charge could create devices with less resistance and less thermal heating, making devices faster and more efficient.”

From their work with Elhanoty and their other collaborators, the JILA team gained a deeper insight into spin dynamics within Heusler compounds. Ryan said: “It was really rewarding to see such a good agreement with the theory and experiment when it came from this really close and productive collaboration as well.” The JILA researchers are hopeful to continue this collaboration in studying other compounds to understand better how light can be used to manipulate spin patterns.