Les scientifiques associent le rayonnement térahertz aux ondes de spin

Une équipe de recherche internationale dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a développé une nouvelle méthode pour le couplage efficace des ondes térahertz avec des longueurs d’onde beaucoup plus courtes, appelées ondes de spin. Comme le rapportent les experts dans la revue Physique naturelle, leurs expériences, en combinaison avec des modèles théoriques, clarifient les mécanismes fondamentaux de ce processus jusqu’alors considéré comme impossible. Les résultats constituent une étape importante pour le développement de nouvelles technologies basées sur le spin et économes en énergie pour le traitement des données.

« Nous avons pu exciter efficacement des ondes de spin à haute énergie en utilisant la lumière térahertz dans un système de matériaux en forme de sandwich composé de deux films métalliques de quelques nanomètres d’épaisseur, avec une couche ferromagnétique prise en sandwich entre les deux », explique le Dr Sergey Kovalev de l’Institut de Physique des rayonnements au HZDR, où les expériences ont été menées. Les électrons ont un spin effectif qui se comporte comme une toupie.

Et comme un gyroscope, une perturbation externe peut incliner l’axe de rotation du spin : un mouvement gyroscopique, appelé précession, suit le mouvement. Dans les matériaux ferromagnétiques, il existe une très forte interaction entre les spins des électrons, et par conséquent, une précession initiée localement se poursuit sous la forme d’une onde de spin dans toute la couche de matériau ferromagnétique.

Ceci est intéressant car une onde de spin, comme toute onde, peut être utilisée comme support d’informations. Pendant que chaque spin d’électron est en mouvement, dans les ferromagnétiques considérés, il reste dans sa position dans le réseau atomique, donc aucun flux de courant n’est impliqué. Ainsi, contrairement aux puces informatiques d’aujourd’hui, il n’y a pas de pertes de chaleur dues aux courants dans les dispositifs à base de spin.

De manière pratique, les fréquences caractéristiques des ondes de spin à haute énergie se situent dans la gamme des térahertz. C’est exactement la plage cible des nouvelles technologies ultrarapides pour la transmission et le traitement des données. Le couplage de la technologie optique térahertz avec des dispositifs basés sur le spin pourrait donc permettre des concepts complètement nouveaux et efficaces pour les technologies informatiques.

Problème : Communication entre différents types d’ondes

Semblable à la lumière, qui peut également être décrite en termes de particules individuelles appelées photons, les énergies des ondes de spin sont quantifiées et les quanta des ondes de spin sont appelés magnons. Les magnons et les photons térahertz ont les mêmes énergies et devraient donc être facilement convertibles l’un dans l’autre. Mais il y a un problème en cours de route : la vitesse complètement différente des deux phénomènes ondulatoires.

Les ondes térahertz se déplacent sous forme de rayonnement électromagnétique à la vitesse de la lumière, tandis que les ondes de spin sont liées à l’existence de spins en interaction. Leur vitesse de propagation est des centaines de fois inférieure à celle de la lumière. Et tandis que les ondes térahertz ont une longueur d’onde légèrement inférieure au millimètre, la longueur d’onde des ondes de spin, en revanche, n’est que de l’ordre de quelques nanomètres. En conséquence, l’onde térahertz n’a aucune chance de transférer son énergie spécifiquement et directement à une onde de spin beaucoup plus lente.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont imaginé une combinaison de couches métalliques extrêmement fines de tantale et de platine, au milieu desquelles ils ont inséré une fine couche d’un alliage ferromagnétique nickel-fer. Cette combinaison de matériaux est précisément réglée pour « traduire » les signaux du monde de la lumière dans le monde des spins.

De la lumière au spin en plusieurs étapes

Ils ont développé et produit leur matériau de couche fonctionnelle à l’Institut HZDR de physique des faisceaux ioniques et de recherche sur les matériaux. Pour ce faire, ils déposent progressivement en phase vapeur des films métalliques sur un mince substrat de verre. « Dans l’expérience, nous avons ensuite bombardé les échantillons avec des impulsions térahertz intenses et mesuré leur magnétisation variant rapidement dans le temps avec des impulsions laser optiques. Nous avons trouvé des oscillations caractéristiques de la magnétisation, même pour les moments où l’impulsion térahertz excitante n’interagissait plus avec l’échantillon. du tout », explique Kovalev.

« Nous avons fait varier de nombreux facteurs, tels que les champs magnétiques externes et les différentes compositions de matériaux des couches, jusqu’à ce que nous puissions montrer en toute confiance qu’il s’agissait bien des ondes de spin que nous recherchions », explique son coéquipier, le Dr Ruslan Salikhov, qui travaille sur de nouvelles fonctionnalités. matériaux magnétiques.

Pour cette transformation d’une onde électromagnétique en une onde de spin, l’équipe a tiré parti de toute une gamme d’effets quantiques différents. Au sens figuré, ces effets garantissent que l’onde térahertz et l’onde de spin se comprennent. Premièrement, le rayonnement térahertz accélère les électrons libres dans le métal lourd, permettant la formation de courants microscopiques.

Ces courants sont convertis en courants de spin par ce que l’on appelle l’effet Hall de spin, c’est-à-dire des courants d’électrons qui n’ont qu’une orientation de spin très spécifique et peuvent donc transporter le moment cinétique résultant dans l’espace local. Aux interfaces entre le métal lourd et le ferromagnétique, ce moment cinétique exerce alors un couple sur les spins dans le ferromagnétique. Ce couple délivre précisément la perturbation qui conduit à la formation d’ondes de spin.

En comparant différents échantillons, les scientifiques ont maintenant pu montrer que le champ térahertz lui-même n’est pas capable de générer directement des ondes de spin. Seul le détour mène au succès. Ils ont ainsi pu confirmer les prédictions théoriques sur l’efficacité des couples spin-orbite sur des échelles de temps picosecondes.

Le nouveau système d’échantillonnage fonctionne donc comme une source térahertz d’ondes de spin qui pourrait, en principe, être facilement intégrée dans des circuits. Ce travail est une étape importante vers l’utilisation de la technologie térahertz dans de nouveaux composants électroniques. Dans le même temps, la méthode démontrée ouvre de nouvelles possibilités pour la caractérisation sans contact des dispositifs à base de spin.