Étude du courant de spin induit par excitation magnétique dans les trihalogénures de chrome

Une approche ingénieuse pour développer des dispositifs de mémoire à faible puissance, à haute vitesse et à haute densité est basée sur la spintronique, une frontière émergente dans la technologie qui exploite un degré de liberté des électrons connu sous le nom de spin. En termes simples, les électrons, ainsi que leur charge négative, possèdent un spin dont l’orientation peut être contrôlée à l’aide de champs magnétiques. Ceci est particulièrement pertinent pour les isolateurs magnétiques, dans lesquels les électrons ne peuvent pas se déplacer, mais le spin reste contrôlable. Dans ces matériaux, les excitations magnétiques peuvent donner naissance à un courant de spin, qui est à la base de la spintronique.

Les scientifiques ont recherché des méthodes efficaces pour générer le courant de spin. L’effet photogalvanique, un phénomène caractérisé par la génération d’un courant continu à partir d’un éclairage lumineux, est particulièrement utile à cet égard. Des études ont montré qu’un courant de spin photogalvanique peut être généré de manière similaire en utilisant les champs magnétiques dans les ondes électromagnétiques. Cependant, nous manquons actuellement de matériaux candidats et d’une formulation mathématique générale pour explorer ce phénomène.

Maintenant, le professeur associé Hiroaki Ishizuka de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), avec son collègue, a abordé ces questions. Dans leur récente étude publiée dans Lettres d’examen physique, ils ont présenté une formule générale qui peut être utilisée pour calculer le courant de spin photogalvanique induit par des excitations magnétiques oscillantes transversales. Ils ont ensuite utilisé cette formule pour comprendre comment les courants de spin photogalvaniques apparaissent dans les composés bicouches de trihalogénure de chrome (Cr), à savoir le triiodure de chrome (CrI3) et le tribromure de chrome (CrBr3).

« Contrairement aux études antérieures qui considéraient les champs magnétiques oscillants longitudinaux pour générer des courants de spin, notre étude se concentre sur les champs magnétiques oscillants transversaux. Sur cette base, nous avons constaté que les processus impliquant une bande de magnon (quantum d’excitations d’ondes de spin) ainsi que deux bandes de magnon contribuent au courant de spin », explique le Dr Ishizuka.

En utilisant leur formule, le duo a découvert que CrI3 et CrBr3 présentaient un grand courant de spin photogalvanique pour les excitations magnétiques correspondant aux ondes électromagnétiques aux fréquences gigahertz et térahertz. Cependant, le courant n’est apparu que lorsque les spins ont montré un ordre antiferromagnétique, ce qui signifie que les spins successifs étaient antiparallèles, par opposition à l’ordre ferromagnétique (où les spins successifs sont parallèles).

De plus, la direction du courant de spin était régie par l’orientation de l’ordre antiferromagnétique (que les spins sur les première et deuxième couches soient disposés de haut en bas ou de bas en haut). De plus, ils ont souligné que, contrairement aux découvertes précédentes qui attribuaient le courant de spin au seul processus à deux magnons, leur formule montrait qu’une réponse importante était, en général, possible avec le processus à un seul magnon.

Ces résultats suggèrent que les bicouches CrI3 et CrBr3 sont de bons candidats pour étudier le mécanisme associé à la génération de courant de spin photogalvanique.

« Notre étude prédit non seulement des contributions imprévues au courant de spin, mais fournit également une ligne directrice pour la conception de nouveaux matériaux pilotés par l’effet photogalvanique des excitations magnétiques », explique le Dr Ishizuka.