Percer les secrets du spin avec des sondes à hautes harmoniques

Au plus profond de chaque morceau de matériau magnétique, les électrons dansent au rythme invisible de la mécanique quantique. Leurs spins, semblables à de minuscules sommets atomiques, dictent le comportement magnétique du matériau qu’ils habitent. Ce ballet microscopique est la pierre angulaire des phénomènes magnétiques, et ce sont ces spins qu’une équipe de chercheurs du JILA, dirigée par les boursiers du JILA et les professeurs Margaret Murnane et Henry Kapteyn de l’Université du Colorado à Boulder, a appris à contrôler avec une précision remarquable, redéfinissant potentiellement l’avenir de électronique et stockage de données.

Dans un Avancées scientifiques publicationl’équipe JILA, ainsi que des collaborateurs d’universités de Suède, de Grèce et d’Allemagne, ont étudié la dynamique de spin au sein d’un matériau spécial appelé composé de Heusler : un mélange de métaux qui se comporte comme un seul matériau magnétique.

Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé un composé de cobalt, de manganèse et de gallium, qui se comportait comme conducteur pour les électrons dont les spins étaient alignés vers le haut et comme isolant pour les électrons dont les spins étaient alignés vers le bas.

En utilisant une forme de lumière appelée génération d’harmoniques ultraviolettes extrêmes (EUV HHG) comme sonde, les chercheurs ont pu suivre les réorientations des spins à l’intérieur du composé après l’avoir excité avec un laser femtoseconde, ce qui a amené l’échantillon à modifier son champ magnétique. propriétés. La clé pour interpréter avec précision les réorientations de spin était la capacité de régler la couleur de la lumière de la sonde EUV HHG.

« Dans le passé, les gens n’effectuaient pas ce réglage des couleurs de HHG », a expliqué Sinéad Ryan, co-premier auteur et étudiant diplômé de JILA. « Habituellement, les scientifiques ne mesuraient le signal qu’avec quelques couleurs différentes, peut-être une ou deux par élément magnétique au maximum. » Dans une première monumentale, l’équipe JILA a réglé sa sonde lumineuse EUV HHG sur les résonances magnétiques de chaque élément du composé pour suivre les changements de spin avec une précision de l’ordre de la femtoseconde (un quadrillionième de seconde).

« En plus de cela, nous avons également modifié la fluence d’excitation du laser, nous avons donc modifié la puissance utilisée pour manipuler les spins », a expliqué Ryan, soulignant que cette étape était également une première expérimentale pour ce type de recherche.

Parallèlement à leur nouvelle approche, les chercheurs ont collaboré avec le théoricien et co-premier auteur Mohamed Elhanoty de l’Université d’Uppsala, qui a visité 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 avions le sentiment d’établir une nouvelle norme grâce à l’accord entre la théorie et l’expérience », a ajouté Ryan.

Optimisation de l’énergie lumineuse

Pour plonger dans la dynamique de spin de leur composé Heusler, les chercheurs ont proposé un outil innovant : des sondes à hautes harmoniques dans l’ultraviolet extrême. Pour produire les sondes, les chercheurs ont focalisé une lumière laser de 800 nanomètres dans un tube rempli de gaz néon, où le champ électrique du laser éloignait les électrons de leurs atomes puis les repoussait.

Lorsque les électrons revenaient en arrière, ils agissaient comme des élastiques libérés après avoir été étirés, créant des éclats de lumière violette à une fréquence (et une énergie) plus élevée que le laser qui les avait expulsés. Ryan a réglé ces sursauts pour qu’ils entrent en résonance avec les énergies du cobalt et du manganèse présents dans l’échantillon, mesurant la dynamique de spin spécifique aux éléments et les comportements magnétiques au sein du matériau que l’équipe pourrait manipuler davantage.

Un concours d’effets de spin

À partir de leur expérience, les chercheurs ont découvert qu’en réglant la puissance du laser d’excitation et la couleur (ou l’énergie des photons) de leur sonde HHG, ils pouvaient déterminer quels effets de spin étaient dominants à différents moments au sein de leur composé. Ils ont comparé leurs mesures à un modèle informatique complexe appelé théorie fonctionnelle de la densité dépendant du temps (TD-DFT). Ce modèle prédit comment un nuage d’électrons dans un matériau évoluera d’instant en instant lorsqu’il sera exposé à divers intrants.

En utilisant le cadre TD-DFT, Elhanoty a trouvé un accord entre le modèle et les données expérimentales en raison de trois effets de spin concurrents au sein du composé Heusler.

« Ce qu’il a découvert dans la théorie, c’est que les retournements de spin étaient assez dominants aux premières échelles de temps, puis que les transferts de spin sont devenus plus dominants », a expliqué Ryan. « Puis, au fur et à mesure que le temps passe, d’autres effets de démagnétisation prennent le dessus et l’échantillon se démagnétise. »

Les phénomènes de retournement de spin se produisent dans un élément de l’échantillon lorsque les spins changent d’orientation de haut en bas et vice versa. En revanche, les transferts de spin se produisent au sein de plusieurs éléments, en l’occurrence le cobalt et le manganèse, lorsqu’ils transfèrent des spins entre eux, ce qui rend chaque matériau plus ou moins magnétique au fil du temps.

Comprendre quels effets étaient dominants, quels niveaux d’énergie et quels moments ont permis aux chercheurs de mieux comprendre comment les spins pouvaient être manipulés pour conférer aux matériaux des propriétés magnétiques et électroniques plus puissantes.

« Il existe ce concept de spintronique, qui reprend l’électronique dont nous disposons actuellement et, au lieu d’utiliser uniquement la charge de l’électron, nous utilisons également le spin de l’électron », a expliqué Ryan. « Ainsi, la spintronique a également un composant magnétique. La raison d’utiliser le spin au lieu de la charge électronique est qu’elle pourrait créer des dispositifs avec moins de résistance et moins de chauffage thermique, rendant les dispositifs plus rapides et plus efficaces. »

Grâce à leur travail avec Elhanoty et leurs autres collaborateurs, l’équipe JILA a acquis une connaissance plus approfondie de la dynamique de spin au sein des composés Heusler.

Ryan a déclaré : « C’était vraiment gratifiant de constater un si bon accord entre la théorie et l’expérience, grâce à cette collaboration très étroite et productive. »

Les chercheurs de JILA espèrent poursuivre cette collaboration en étudiant d’autres composés afin de mieux comprendre comment la lumière peut être utilisée pour manipuler les modèles de spin.