Deterministic control of antiferromagnetic domain walls by circular phonons

Les matériaux magnétiques sont depuis longtemps le pilier de notre stockage d'informations, des disques durs de nos ordinateurs aux cartes de crédit dans nos portefeuilles. Pendant des décennies, les scientifiques se sont concentrés sur les ferromagnétiques, les matériaux qui composent les aimants ordinaires, car leurs champs magnétiques sont faciles à mesurer et à contrôler. Cependant, une classe différente de matériaux appelés antiferromagnétiques promet un stockage de données beaucoup plus rapide et plus dense. Dans ces matériaux, les minuscules spins magnétiques des atomes pointent dans des directions opposées, s'annulant mutuellement de sorte que le matériau n'a aucun champ magnétique global. Cela les rend invisibles pour les capteurs magnétiques standards et incroyablement difficiles à manipuler. Le défi consiste à contrôler les limites entre les différentes régions, ou domaines, au sein de ces matériaux. Si les scientifiques pouvaient apprendre à déplacer ces limites avec précision, ils pourraient créer une nouvelle génération de disposités de mémoire qui soient à la fois ultra-rapides et incroyablement stables.

Une équipe de chercheurs a maintenant démontré un moyen de diriger ces frontières invisibles en utilisant les vibrations du réseau cristallin lui-même. En travaillant avec un minéral stratifié appelé trisulfure de manganèse et de phosphore, qui a été légèrement dopé au nickel pour rendre sa structure interne plus facile à observer, les scientifiques ont utilisé des impulsions de lumière infrarouge moyenne pour secouer les atomes selon un motif circulaire spécifique. En dirigeant cette lumière avec une torsion spécifique, appelée polarisation circulaire, ils ont pu pousser les limites entre les domaines magnétiques dans une direction ou l'autre. Le résultat est une méthode pour basculer de manière déterministe l'état magnétique du matériau, le faisant passer d'une configuration stable à une autre et inversement, simplement en changeant la chiralité de la lumière utilisée pour l'exciter.

Le matériau qu'ils ont étudié, le trisulfure de manganèse et de phosphore, est un antiferromagnétique de van der Waals, ce qui signifie qu'il est composé de fines feuilles maintenues ensemble par des forces faibles, un peu comme un jeu de cartes. À l'intérieur de chaque feuille, les atomes magnétiques sont disposés selon un motif en nid d'abeille. Sous une certaine température, ces atomes s'alignent en deux groupes opposés, créant un état où les forces magnétiques s'équilibrent parfaitement. Cet équilibre crée deux états possibles pour le matériau, qui sont des images miroirs l'un de l'autre dans le temps. Dans un cristal parfait, ces états seraient également probables, mais en réalité, le matériau est rempli de minuscules défauts et d'imperfections. Ces imperfections agissent comme des ancres, fixant les limites entre les différentes régions magnétiques en place. Ce blocage est habituellement un problème, mais les chercheurs ont découvert que c'est aussi la clé pour faire fonctionner le basculement.

Pour voir ce qui se passait à l'intérieur du cristal, l'équipe a utilisé une technique d'imagerie spéciale qui repose sur la façon dont la lumière rebondit sur le matériau. Parce que l'arrangement magnétique brise certaines symétries dans le cristal, il produit un signal unique lorsqu'il est frappé par un laser, permettant aux chercheurs de cartographier le motif labyrinthique des domaines magnétiques. Ils ont observé que les limites entre ces régions n'étaient pas statiques ; elles pouvaient être déplacées. Les chercheurs se sont ensuite tournés vers un laser à électrons libres, une source de lumière puissante capable de produire des longueurs d'onde très spécifiques. Ils ont accordé ce laser pour qu'il corresponde à la fréquence de vibration naturelle d'un groupe spécifique d'atomes au sein du cristal, le complexe de phosphore et de soufre. Lorsqu'ils ont envoyé des impulsions de lumière à cette fréquence, les atomes ont commencé à vibrer.

L'étape cruciale était la façon dont ils façonnaient la lumière. Au lieu de simplement secouer les atomes d'avant en arrière, ils ont utilisé une lumière circulairement polarisée pour faire bouger les atomes en cercle. Cela a créé un mouvement chiral, une rotation microscopique du réseau cristallin qui possède une direction spécifique, soit horaire, soit antihoraire. Ce mouvement de rotation agit comme un champ magnétique, mais un champ généré par le mouvement des atomes eux-mêmes plutôt que par des courants électriques ou des aimants externes. Les chercheurs ont découvert que lorsqu'ils utilisaient une lumière tournant dans une direction, les limites magnétiques se déplaçaient pour étendre un type de domaine. Lorsqu'ils changeaient la direction de la lumière pour qu'elle tourne dans le sens opposé, les limites reculaient, rétrécissant ce domaine et étendant l'autre.

Ce processus n'est pas instantané. Une seule impulsion de lumière n'est pas assez forte pour déplacer les limites sur toute l'étendue de l'échantillon. Au lieu de cela, les chercheurs ont découvert que l'effet est cumulatif. Ils ont envoyé une séquence d'impulsions lumineuses, et avec chaque impulsion, la limite se déplaçait un tout petit peu plus loin, surmontant la résistance des défauts du cristal qui la retenaient en place. C'est similaire au fait de pousser un objet lourd en haut d'une colline par de petites poussées répétées ; chaque poussée le fait monter un peu plus haut jusqu'à ce qu'il franchisse le sommet. Dans leurs expériences, il a fallu environ quatre impulsions pour construire un changement significatif dans la forme du domaine, créant une protubérance qui s'étend dans la région voisine. Cependant, inverser la direction de la lumière était beaucoup plus efficace. Une seule impulsion de lumière avec le spin opposé a suffi pour faire s'effondrer la protubérance et ramener la limite à sa position d'origine.

Les chercheurs ont confirmé que cet effet n'était pas une simple fluctuation aléatoire mais le résultat direct de l'interaction de la lumière avec les vibrations du cristal. Ils ont testé différentes longueurs d'onde de lumière et ont constaté que l'effet était le plus fort uniquement lorsque la lumière correspondait à la fréquence spécifique des vibrations atomiques circulaires. S'ils utilisaient une fréquence différente, les limites ne bougeaient pas. Ils ont également testé le système à différentes températures, constatant que le contrôle fonctionnait de manière fiable de températures très froides jusqu'à environ 45 degrés au-dessus du zéro absolu. Au-delà de ce point, l'énergie thermique devenait trop forte, et la lumière ne pouvait plus diriger les limites avec la même précision.

Par le biais de simulations informatiques, l'équipe a modélisé comment les limites se déplaçaient à travers le paysage des défauts cristallins. Les modèles ont montré que le mouvement circulaire des atomes crée une force qui aide la limite à grimper par-dessus les barrières d'énergie créées par les défauts. Une fois que la limite a dépassé un défaut, elle se retrouve bloquée à nouveau au prochain, stabilisant sa nouvelle position. Ce mouvement étape par étape explique pourquoi les changements s'accumulent à chaque impulsion. Les simulations ont également reproduit l'asymétrie observée lors de l'expérience, montrant que déplacer la limite contre la tension de la paroi de domaine étirée nécessite de nombreuses petites poussées, tandis que laisser la tension se relâcher permet de revenir à la position initiale en un mouvement rapide et unique.

Ce travail démontre que l'ordre magnétique dans ces matériaux peut être contrôlé non pas par des champs magnétiques, qui sont faibles dans les antiferromagnétiques, mais par la forme dynamique du réseau cristallin lui-même. Les chercheurs ont montré qu'en excitant de manière résonante des vibrations spécifiques avec de la lumière circulairement polarisée, ils pouvaient générer un champ effectif qui agit directement sur l'ordre magnétique. Ce champ est assez fort pour surmonter les forces de blocage des défauts du cristal et déplacer les parois de domaines de manière prévisible et réversible. Les résultats suggèrent que la clé du contrôle de ces matériaux réside non seulement dans la force de la lumière, mais aussi dans l'interaction entre le mouvement induit par la lumière et les imperfections naturelles du cristal. En comprenant comment ces défauts stabilisent le mouvement, les scientifiques peuvent potentiellement concevoir des matériaux avec des réponses sur mesure, ouvrant la voie à de nouvelles façons de stocker et de traiter l'information en utilisant les états magnétiques cachés des antiferromagnétiques.