UPTON, NY – Que se passe-t-il lorsque de très courtes impulsions de lumière laser frappent un matériau magnétique ? Une grande collaboration internationale dirigée par le laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’Énergie (DOE) a tenté de répondre à cette question. Comme ils viennent de le signaler dans le procédures de l’Académie nationale des sciences, le laser a supprimé l’ordre magnétique dans tout le matériau pendant plusieurs picosecondes, ou des billions de seconde. Comprendre comment les corrélations magnétiques changent sur des échelles de temps ultra-rapides est la première étape pour pouvoir contrôler le magnétisme de manière orientée application. Par exemple, avec un tel contrôle, nous pouvons être en mesure d’écrire des données plus rapidement sur des dispositifs de mémoire ou d’améliorer la supraconductivité (le phénomène dans lequel un matériau conduit l’électricité sans perte d’énergie), qui est souvent en concurrence avec d’autres états tels que le magnétisme.

Le matériau étudié était l’oxyde de strontium et d’iridium (Sr3Ir2O7), un antiferromaïen avec une structure cristalline bicouche et une grande anisotropie magnétique. Dans un antiferromagnétique, les moments magnétiques, ou spins des électrons, s’alignent dans des directions opposées aux spins voisins. L’anisotropie signifie que les spins doivent payer un coût énergétique pour tourner dans n’importe quelle direction aléatoire ; ils veulent vraiment s’asseoir, pointant vers le haut ou vers le bas la structure cristalline. Le groupe de diffusion des rayons X de la Division de la physique de la matière condensée et de la science des matériaux (CMPMS) du Brookhaven Lab a déjà étudié ce matériau (et un composé frère monocouche, Sr2IrO4), ils sont donc entrés dans cette étude avec une bonne compréhension de votre stabilité Etat.

« Des impulsions laser très courtes perturbent le système, détruisant son ordre magnétique », a déclaré le premier auteur Daniel Mazzone, ancien membre du groupe et désormais instrumentiste au spectromètre d’analyse d’énergie multiple à angle continu (CAMEA) de l’Institut Paul Scherrer en Suisse. « Dans cette étude, nous étions intéressés à voir comment le système se détend pour revenir à son état normal. Nous savions que la relaxation se produit sur une échelle de temps très rapide, et pour prendre une photo de quelque chose qui bouge très vite, nous devons impulsions d’éclairage. Avec une source laser à rayons X à électrons libres, nous pouvons générer des impulsions suffisamment courtes pour voir le mouvement des atomes et des molécules. Ces sources n’existent que dans cinq endroits dans le monde : États-Unis, Japon, Corée, Allemagne et Suisse « .

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Dans cette étude, l’équipe a mené des expériences dans deux des cinq installations. Au laser à électrons libres SPring-8 Angstrom Compact (SACLA) au Japon, ils ont effectué une diffusion des rayons X par résonance élastique à résolution temporelle (tr-REXS). Au Linac Coherent Light Source X-ray Pump Probe Instrument, une installation utilisateur du DOE Office of Science au SLAC National Accelerator Laboratory, les scientifiques ont effectué une diffusion résonante inélastique des rayons X dans le temps (tr-RIXS). Dans les deux techniques de diffusion, les rayons X (sonde) frappent le matériau presque immédiatement après l’impulsion laser (pompe). En mesurant l’énergie et l’angle des particules lumineuses diffusées (photons), les scientifiques peuvent déterminer la structure électronique du matériau et donc la configuration magnétique. Dans ce cas, l’énergie des rayons X a été réglée pour être sensible aux électrons autour des atomes d’iridium, qui entraînent le magnétisme dans ce matériau. Alors que tr-REXS peut révéler le degré d’ordre magnétique à longue distance, tr-RIXS peut fournir une image des interactions magnétiques locales.

« Pour observer le comportement détaillé des spins, nous devons mesurer le déplacement d’énergie des rayons X avec une très grande précision », a expliqué le co-auteur correspondant Mark Dean, physicien du groupe de diffusion des rayons X de la division CMPMS. « Pour ce faire, nous avons construit et installé un spectromètre à rayons X motorisé au SLAC.

Leurs données ont révélé comment les interactions magnétiques sont supprimées non seulement localement mais partout. Cette suppression persiste pendant des picosecondes avant que l’ordre magnétique ne revienne à son état antiferromagnétique initial.

« Le système bicouche n’a pas de moyens écoénergétiques de déformer l’état magnétique », a expliqué Dean. « Il reste coincé dans ce goulot d’étranglement où le magnétisme est déséquilibré et il ne récupère pas, du moins pas aussi vite que dans le système monocouche. »

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« Pour la plupart des applications, comme le stockage de données, vous voulez une commutation magnétique rapide », a ajouté Mazzone. « Nos recherches suggèrent des systèmes dans lesquels les spins peuvent pointer dans la direction la mieux adaptée à la manipulation du magnétisme. »

Ensuite, l’équipe prévoit d’examiner des matériaux connexes et espère manipuler le magnétisme de manière plus spécifique, par exemple en modifiant la force avec laquelle deux spins voisins « communiquent » entre eux.

« Si nous pouvons changer la distance entre deux virages et voir comment cela affecte leur interaction, ce serait vraiment cool », a déclaré Mazzone. « Avec une compréhension de l’évolution du magnétisme, nous pourrions le modifier, peut-être générer de nouveaux états. »

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La complexité de la configuration et de l’exploitation du spectromètre a nécessité une collaboration étendue qui comprenait des membres anciens et actuels du groupe de diffusion des rayons X de Brookhaven, Daniel Mazzone, Derek Meyers, Yue Cao, Jiaqi Lin, Vivek Thampy, Hu Miao, Tadesse Assefa. , John Hill, Ian Robinson et Xuerong Liu. James Vale, Cameron Dashwood et Desmond McMorrow de l’University College London ; Diego Casa et Jungho Kim du Laboratoire national d’Argonne du DOE ; les experts en laser Alan Johnson et Roman Mankowsky de l’Institut Paul Scherrer, Michael Först de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière et Simon Wall de l’Université d’Aarhus ; et les kits de lignes de lumière SLAC et SACLA ont également joué un rôle crucial dans le succès des expériences. Les collaborations théoriques comprenaient Robert Konik de Brookhaven et Neil Robinson et Andrew James, tous deux auparavant à Brookhaven.

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Les autres institutions collaboratrices sont l’Université d’État de l’Oklahoma, l’Académie chinoise des sciences, l’Open University, l’Université d’Amsterdam, l’Université de ShanghaiTech, le RIKEN, l’Institut des sciences et technologies de Barcelone et l’Université du Tennessee.

Cette recherche est soutenue par le DOE Office of Science, le Fonds national suisse de la recherche scientifique, le UK Research Council for Engineering and Physical Sciences Research and Innovation, le ShanghaiTech University MOST of China start-up fund, la National Foundation for Natural Sciences of China, l’Académie chinoise des sciences, le ministère espagnol de l’Économie et de la Compétitivité, la Fondation privée Cellex, la Fondation Mir-Puig, la Generalitat de Catalunya, le Conseil européen de la recherche et la Fondation nationale de la science.

Le Brookhaven National Laboratory est soutenu par l’Office of Science du Département de l’énergie des États-Unis. L’Office of Science est le plus grand sponsor de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, visitez https : //énergie.gouvernement /les sciences.

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