La voie non thermique utilise l’effet Faraday inverse

Des impulsions laser intenses peuvent être utilisées pour manipuler, voire modifier, l’orientation de l’aimantation d’un matériau sur des échelles de temps extrêmement courtes. En général, ces effets sont induits thermiquement, car l’énergie laser absorbée chauffe le matériau très rapidement, provoquant une perturbation ultrarapide de l’ordre magnétique.

Des scientifiques de l’Institut Max Born (MBI), en collaboration avec une équipe internationale de chercheurs, ont désormais démontré une approche non thermique efficace pour générer de grands changements de magnétisation.

En exposant un alliage ferromagnétique fer-gadolinium à des impulsions polarisées circulairement de rayonnement ultraviolet extrême (XUV), ils ont pu révéler une réponse magnétique particulièrement forte en fonction de la directionnelité de l’éclat lumineux XUV entrant (polarisation circulaire gauche ou droite).

Le mécanisme sous-jacent repose sur l’effet Faraday inverse, qui ne repose pas sur l’absorption de la lumière, mais fournit une interaction efficace entre sa polarisation et les moments magnétiques du matériau. L’étude a été publiée dans Physique des communications.

Lorsqu’une impulsion laser intense frappe un milieu magnétisé, son impact sur la magnétisation peut généralement être attribué à la quantité d’énergie introduite dans le matériau lorsqu’elle est absorbée.

Au niveau microscopique, cela correspond à une excitation optique des électrons, qui sont rapidement amenés en déséquilibre et commencent à se disperser entre eux et avec d’autres quasiparticules, modifiant le spin et les moments orbitaux des électrons et donc la magnétisation à longue portée.

Bien que de tels mécanismes donnent lieu à une variété de phénomènes fascinants, notamment la démagnétisation ultrarapide et la commutation de magnétisation induite par laser, ils se font au prix d’une charge thermique substantielle sur le matériau, limitant l’applicabilité technologique lorsque des taux de répétition rapides sont requis, par exemple pour les opérations de lecture/écriture dans les futures technologies de stockage de données.

Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par des scientifiques du MBI, a étudié une toute autre voie, non thermique, de manipulation du magnétisme par la lumière. Leur approche repose sur un phénomène optomagnétique qui ne repose pas sur un échauffement électronique induit par l’absorption de la lumière, mais plutôt sur une interaction directe et cohérente entre la polarisation de la lumière et les spins électroniques.

Le mécanisme sous-jacent est l’effet Faraday inverse (IFE), qui conduit à la génération de moments magnétiques dans un milieu optiquement excité par un rayonnement polarisé circulairement, la direction de l’aimantation dépendant du caractère gauche ou droitier de la polarisation circulaire, c’est-à-dire de son hélicité.

Cependant, comme les propriétés métalliques et hautement absorbantes de la plupart des matériaux ferro- et antiferromagnétiques suppriment généralement les effets non thermiques susmentionnés, une technique spéciale a dû être développée pour générer une réponse optomagnétique importante.

En utilisant des impulsions femtosecondes polarisées circulairement de rayonnement ultraviolet extrême (XUV), générées par le laser à électrons libres FERMI, les scientifiques ont pu démontrer la génération d’une magnétisation induite par IFE particulièrement forte dans un alliage métallique ferrimagnétique de fer-gadolinium (FeGd).

Ceci est possible grâce à l’énergie photonique élevée du rayonnement XUV, permettant l’excitation résonante d’électrons étroitement liés au niveau du noyau, qui, en raison de leurs propriétés intrinsèques (en particulier, un fort couplage spin-orbite), facilitent la génération d’effets optomagnétiques importants.

Avec cette approche, les scientifiques ont pu montrer que, pour différentes énergies de photons XUV autour du Fe M_3,2 résonance au niveau du noyau, la magnétisation induite par l’IFE peut atteindre jusqu’à 20 à 30 % de la magnétisation de l’état fondamental de l’alliage, mesurée par la différence entre la démagnétisation ultrarapide induite pour les hélicités opposées des impulsions XUV polarisées circulairement.

Soutenus par la théorie ab initio et les simulations de dynamique de spin, il a également pu être démontré que les effets observés sont conformes à la réponse IFE attendue et ne peuvent pas être expliqués par un mécanisme purement dépendant de l’hélicité thermique, tel que le dichroïsme circulaire magnétique des rayons X (XMCD) bien établi.

En fournissant une méthode efficace pour la génération non thermique d’une grande magnétisation sur des échelles de temps ultrarapides, ces résultats devraient être d’une grande pertinence pour les domaines du magnétisme ultrarapide et de la spintronique, ainsi que pour le contrôle cohérent de la magnétisation et la science des interactions non linéaires entre les rayons X et la matière.