Ultrafast X-ray sonography reveals the spatial heterogeneity of the laser-induced magneto-structural phase transition in FeRh

La matière existe souvent sous différentes formes, comme l'eau sous forme de glace, de liquide ou de vapeur. Lorsqu'un matériau passe d'un état à un autre, il ne s'agit que rarement d'un changement simple et uniforme qui se produit partout à la fois. Au lieu de cela, la transformation commence généralement dans de petites poches dispersées qui croissent et fusionnent, créant un paysage complexe et fragmenté composé d'anciennes et de nouvelles phases. Comprendre exactement comment ces poches se forment et où elles apparaissent est crucial pour concevoir des dispositifs électroniques plus rapides et plus efficaces, mais observer ce processus se dérouler en temps réel a longtemps été comparable à une tentative de voir les fils individuels d'une tapisserie en étant debout trop loin. Les scientifiques ont depuis longtemps été capables de suivre la chronologie de ces changements avec une vitesse incroyable, mesurant des événements qui se produisent en un millième de billion de seconde, mais ils ont eu du mal à voir les détails spatiaux de l'endroit où la nouvelle phase commence et comment elle se propage à travers le matériau.

Une équipe de chercheurs a maintenant développé un moyen de voir ce paysage caché avec une clarté sans précédent, en utilisant une technique qu'ils appellent la sonographie par rayons X ultra-rapide. En combinant des clichés de rayons X à haute vitesse avec des ondes sonores voyageant à travers un matériau, ils ont cartographié exactement comment un alliage métallique spécifique, connu sous le nom de FeRh, change sa nature magnétique. Ils ont découvert que lorsqu'on frappe ce matériau avec une impulsion laser, le nouvel état magnétique n'apparaît pas comme une couche plate se propageant uniformément sur la surface, ni ne commence profondément à l'intérieur du matériau. Au lieu de cela, il nuclée à la surface même, croissant vers le bas dans le matériau sous la forme de milliers de colonnes minuscules et étroites, chacune mesurant environ 30 nanomètres de large. Cette découverte résout un puzzle de longue date au sein de la communauté scientifique, où différentes expériences avaient suggéré des images contradictoires de la manière dont la transition se produisait, et elle fournit un nouvel outil puissant pour observer comment les matériaux changent de structure en un clin d'œil.

Le matériau au cœur de cette étude est un alliage de fer et de rhodium qui repose sur un équilibre délicat. À température ambiante, il est antiferromagnétique, ce qui signifie que ses spins magnétiques internes sont disposés selon un motif qui s'annule lui-même, laissant le matériau sans attraction magnétique globale. Lorsqu'il est chauffé, ou dans ce cas, lorsqu'il est frappé par une impulsion laser, il subit un changement spectaculaire pour devenir ferromagnétique, où les spins s'alignent dans la même direction, transformant le matériau en un aimant. Ce basculement s'accompagne d'une expansion physique de la structure cristalline du matériau, un changement que les chercheurs ont utilisé comme une clé pour déverrouiller le mystère de la façon dont la transition se produit. Bien que les expériences précédentes aient pu leur indiquer l'ampleur de la modification du matériau au fil du temps, elles ne pouvaient pas leur dire où le changement se produisait ni quelle forme prenaient les nouvelles régions magnétiques.

Pour résoudre cela, les chercheurs ont utilisé un tour astucieux impliquant le son. Lorsque l'impulsion laser frappe le matériau, elle déclenche non seulement le changement magnétique, mais lance également une impulsion sonore, ou une onde de contrainte, qui voyage à travers le matériau comme une ride dans un étang. Cette onde sonore comprime et étire temporairement le matériau à mesure qu'elle se déplace. Comme la nouvelle phase magnétique fait l'expansion de la structure du matériau, celle-ci réagit différemment à cette onde sonore que l'ancienne phase. En tirant des rayons X ultra-rapides sur le matériau à des moments précis après l'impact du laser, l'équipe a pu observer comment les motifs de rayons X se déplaçaient en réponse au passage de l'onde sonore. Ces déformations agissaient comme un écho sonar, révélant la profondeur et la forme des nouvelles régions magnétiques au passage de l'onde sonore.

Les résultats ont brossé un tableau très spécifique de la transformation. Les données ont écarté l'idée que la nouvelle phase magnétique se formait sous la forme d'une couche plate s'étendant sur toute la surface, ou qu'elle commençait profondément dans le matériau pour se déplacer vers l'extérieur. Au lieu de cela, la sonographie par rayons X a montré que la nouvelle phase apparaissait sous forme de colonnes verticales distinctes partant de la surface. Ces colonnes sont incroyablement étroites, avec un diamètre d'environ 30 nanomètres, ce qui correspond approximativement à la taille des minuscules grains cristallins qui composent le film métallique lui-même. À mesure que l'impulsion laser continue de piloter le processus, ces colonnes croissent plus profondément dans le matériau, finissant par fusionner pour former une couche magnétique continue. Les chercheurs ont constaté que cette croissance colonnaire se produit très rapidement, la formation initiale prenant seulement 8 picosecondes, un intervalle de temps qui est une fraction d'un milliardième de seconde.

Cette découverte est significative car elle explique pourquoi les expériences précédentes avaient produit des résultats si différents. Certaines mesures, qui faisaient la moyenne des propriétés de l'échantillon entier, suggéraient un changement uniforme, tandis que d'autres laissaient présager un comportement plus complexe. La nouvelle technique a montré que la vérité réside dans l'arrangement spatial : le matériau change de manière hautement hétérogène, la nouvelle phase existant dans ces colonnes étroites et isolées avant qu'elles ne se connectent. Les chercheurs ont confirmé ce modèle en testant différentes intensités de l'impulsion laser. Lorsque l'impulsion était assez forte pour surmonter la barrière énergétique de la transition sur toute la surface, les colonnes se formaient et fusionnaient rapidement. Lorsque l'impulsion était plus faible, le changement restait fragmentaire, se produisant uniquement dans les zones où le matériau était le plus facile à transformer, confirmant davantage que le processus est piloté par la structure locale du matériau.

La capacité de voir ces détails ouvre une nouvelle fenêtre sur le comportement des matériaux qui changent leurs propriétés rapidement. La technique utilisée ici, la sonographie par rayons X ultra-rapide, n'est pas limitée à cet alliage métallique spécifique. Parce qu'elle repose sur la manière fondamentale dont les ondes sonores interagissent avec différentes phases structurelles, elle peut être appliquée à un large éventail de matériaux subissant des changements similaires. Cette méthode permet aux scientifiques d'observer la naissance de nouvelles phases en temps réel, en distinguant les différents types de croissance et en identifiant les dimensions précises des régions changeantes sans avoir besoin de préparer l'échantillon de manière particulière. En révélant la géométrie cachée de ces transitions, ce travail fournit une base plus claire pour comprendre comment les matériaux se comportent sous des conditions extrêmes, ce qui est essentiel pour le développement de la prochaine génération de technologies de calcul et de stockage de données à haute vitesse.