Un mouvement ultrarapide inhabituel découvert dans des matériaux magnétiques en couches

La découverte a été inspirée par les expériences d'Einstein et de Haas.

Les matériaux magnétiques font depuis longtemps l’objet de recherches sur la manière dont la configuration microscopique du spin entraîne des propriétés inhabituelles à l’échelle macroscopique de la longueur. Un exemple est l’effet Einstein-de Haas dans les ferromagnétiques, qui permet de transférer le moment cinétique des spins dans la rotation mécanique d’un objet entier. Cependant, on ne sait toujours pas comment l’ordre de spin se couple au mouvement macroscopique dans les antiferromagnétiques sans moment magnétique net.

Dans une nouvelle étude, une équipe de chercheurs d'Argonne et d'autres laboratoires et universités nationaux américains rapportent désormais un effet analogue mais différent dans un "anti"-ferromagnétique. Dans cette expérience, les chercheurs ont exploité le spin électronique pour provoquer une réponse mécanique dans un cylindre, un objet macroscopique.

Dans les antiferromagnétiques, par exemple, les spins des électrons alternent de haut en bas entre les électrons adjacents plutôt que de toujours pointer vers le haut. Les antiferromagnétiques ne réagissent pas aux changements d'un champ magnétique comme les ferromagnétiques car leurs spins opposés s'annulent.

Haidan Wen, physicien dans les divisions de science des matériaux et de science des rayons X du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE), a déclaré : « La question que nous nous sommes posée est la suivante : le spin des électrons peut-il provoquer une réponse dans un antiferromagnétique qui est différente ? mais similaire dans son esprit à celui de la rotation des cylindres dans l’expérience d’Einstein-de Hass ?

Les chercheurs ont créé un échantillon de trisulfure de fer et de phosphore antiferromagnétique (FePS3) pour répondre à cette question. Chaque couche de l’échantillon, composée de plusieurs couches de FePS3, n’avait que quelques atomes d’épaisseur. Le FePS3 est unique par rapport à un aimant conventionnel car il est créé dans une structure en couches avec une très faible interaction entre les couches.

Wen a déclaré: "Nous avons conçu un ensemble d'expériences corroborantes dans lesquelles nous avons envoyé des impulsions laser ultrarapides sur ce matériau en couches et mesuré les changements résultants dans les propriétés du matériau avec des impulsions optiques, de rayons X et électroniques."

Les chercheurs ont découvert que les impulsions modifient les propriétés magnétiques du matériau en perturbant l'orientation ordonnée des spins électroniques. Au lieu d’alterner systématiquement de haut en bas, les flèches du spin des électrons sont désormais désorganisées.

Nuh Gedik, professeur de physique au Massachusetts Institute of Technology (MIT), a déclaré : « Ce brouillage du spin électronique conduit à une réponse mécanique sur l’ensemble de l’échantillon. Parce que l’interaction entre les couches est faible, une couche de l’échantillon peut glisser d’avant en arrière par rapport à une couche adjacente.

Le temps d'oscillation de ce mouvement est extrêmement court : 10 à 100 picosecondes. La définition d’une picoseconde est un billionième de seconde. La lumière ne se déplace que d’un tiers de millimètre par picoseconde en raison de la rapidité avec laquelle cela se produit.

Des installations scientifiques de classe mondiale sont nécessaires pour mesurer des échantillons avec une résolution spatiale à l’échelle atomique et une résolution temporelle à l’échelle de la picoseconde. Pour y parvenir, les scientifiques ont utilisé des sondes ultrarapides de pointe qui analysent les structures atomiques à l’aide de faisceaux d’électrons et de rayons X.

Les premières expériences utilisaient l’équipement de diffraction électronique ultrarapide méga-électronvolt du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC et s’inspiraient des mesures optiques de l’Université de Washington. Dans le cadre de la configuration de diffraction électronique ultrarapide du MIT, des recherches supplémentaires ont été effectuées. Les travaux sur les lignes de lumière 11-BM et 7-ID de l'Advanced Photon Source (APS) et l'installation de microscopie électronique ultrarapide du Center for Nanoscale Materials (CNM) ont ajouté ces résultats. À Argonne, le CNM et l'APS sont des installations utilisatrices du DOE Office of Science.

Un antiferromagnétique multicouche subit également les effets du spin électronique pendant des durées supérieures à la picoseconde. Les membres de l'équipe ont découvert que les mouvements fluctuants des couches ralentissaient considérablement autour du point où les spins des électrons passaient d'un comportement désordonné à un comportement ordonné lors d'un travail antérieur utilisant des équipements APS et CNM.