Les scientifiques ont révélé remark les vibrations et les spins du réseau communiquent entre eux dans une excitation hybride connue sous le nom d’électromagnon. Pour y parvenir, ils ont utilisé une combinaison one of a kind d’expériences au laser à électrons libres à rayons X SwissFEL. Comprendre ce processus fondamental au niveau atomique ouvre la porte à un contrôle ultra-rapide du magnétisme par la lumière.
Au sein du réseau atomique d’un solide, les particules et leurs diverses propriétés coopèrent dans des mouvements ondulatoires appelés excitations collectives. Lorsque les atomes d’un réseau tremblent ensemble, l’excitation collective est appelée phonon. De même, lorsque les spins atomiques – la magnétisation des atomes – se déplacent ensemble, on parle de magnon.
La condition devient moreover complexe. Certaines de ces excitations collectives communiquent entre elles dans des excitations dites hybrides. Une de ces excitations hybrides est un électromagnon. Les électromagnons tirent leur nom de leur capacité à exciter les spins atomiques en utilisant le champ électrique de la lumière, contrairement aux magnons conventionnels : une standpoint passionnante pour de nombreuses applications approaches. Pourtant, leur vie secrète au niveau atomique n’est pas bien comprise.
On soupçonne que lors d’un électromagnon, les atomes du réseau bougent et les spins vacillent dans une excitation qui est essentiellement une combinaison d’un phonon et d’un magnon. Pourtant, depuis leur première proposition en 2006, seul le mouvement de rotation a été mesuré. La manière dont les atomes du réseau se déplacent – s’ils bougent – reste un mystère. Il en va de même pour la compréhension de la façon dont les deux composants communiquent entre eux.
Grâce à une série d’expériences sophistiquées menées au laser à électrons libres suisse SwissFEL, des chercheurs du PSI ont ajouté ces pièces manquantes au puzzle. «Grâce à une meilleure compréhension du fonctionnement de ces excitations hybrides, nous pouvons désormais commencer à étudier les possibilités de manipuler le magnétisme à une échelle de temps ultra-rapide», explique Urs Staub, responsable du groupe Microscopie et magnétisme au PSI, qui a dirigé l’étude.
D’abord les atomes, puis les spins
Dans leurs expériences au SwissFEL, les chercheurs ont utilisé une impulsion laser térahertz pour induire un électromagnon dans un cristal d’hexaferrite multiferroïque. À l’aide d’expériences de diffraction des rayons X résolues dans le temps, ils ont ensuite pris des instantanés ultrarapides de la façon dont les atomes et les spins se déplaçaient en réponse à l’excitation. Grâce à cela, ils ont prouvé à la fois que les atomes du réseau se déplacent réellement dans un électro-aimant et ont également révélé remark l’énergie est transférée entre le réseau et le spin.
Un résultat frappant de leur étude est que les atomes se déplacent en premier, les spins se déplaçant légèrement as well as tard. Lorsque l’impulsion térahertz frappe le cristal, le champ électrique fulfilled les atomes en mouvement, initiant la partie phononique de l’électromagnon. Ce mouvement crée un champ magnétique efficace qui déplace ensuite les spins.
« Nos expériences ont révélé que l’excitation ne déplace pas directement les spins. On ne savait pas si tel serait le cas auparavant », explique Hiroki Ueda, scientifique sur la ligne de lumière au SwissFEL et premier auteur de la publication.
En allant additionally loin, l’équipe pourrait également quantifier la quantité d’énergie que la composante phononique acquiert à partir de l’impulsion térahertz et la quantité d’énergie que la composante magnonique acquiert à travers le réseau. « Il s’agit d’une information and facts importante pour les applications futures dans lesquelles on cherchera à piloter le système magnétique », ajoute Ueda.
Un laser à électrons libres, deux lignes de lumière, deux modes cristallins
La clé de leur découverte était la capacité de mesurer à la fois les mouvements atomiques et les spins dans des expériences complémentaires de diffraction des rayons X résolues en temps sur les lignes de lumière de rayons X durs et mous du SwissFEL.
À l’aide de rayons X durs à la station expérimentale Bernina, l’équipe a étudié le mouvement des atomes au sein du réseau. L’installation récemment développée de la station expérimentale, comprenant des chambres d’échantillons spécialement conçues, permet des mesures ultrarapides uniques utilisant des champs térahertz dans des solides à très basse température.
Pour étudier le mouvement des spins, l’équipe a utilisé des rayons X mous, as well as sensibles aux changements dans les systèmes magnétiques. Ces expériences ont été réalisées à la station expérimentale de Furka, récemment entrée en service. En adaptant l’énergie des rayons X à une résonance dans le matériau, ils ont pu se concentrer spécifiquement sur le signal provenant des spins – des informations généralement masquées.
« La mesure de la partie phononique seule à Bernina a constitué un grand pas en avant. Pouvoir également accéder au mouvement magnétique avec Furka est une possibilité expérimentale qui n’existe presque nulle aspect ailleurs dans le monde », commente Staub.
Le principe fondamental est significant pour notre compréhension d’autres processus physiques
Ueda, Staub et ses collègues ont permis de comprendre l’origine microscopique d’un électromagnon. Cette compréhension est importante non seulement pour ce processus physique, mais dans un sens plus général.
Les interactions fondamentales entre le réseau et les spins sous-tendent de nombreux effets physiques qui donnent naissance à des propriétés matérielles inhabituelles – et potentiellement très utiles – : par exemple, la supraconductivité à haute température. Ce n’est qu’avec une meilleure compréhension de ces effets que l’on peut parvenir à un contrôle.
