Long-lived nonequilibrium spin configuration induced by dual optical excitation

Le magnétisme est souvent considéré comme une propriété statique, une qualité permanente de matériaux comme le fer qui existe simplement. En réalité, cependant, l'état magnétique d'un matériau est un équilibre dynamique, un tir à la corde constant entre les minuscules spins des électrons et la chaleur de l'environnement environnant. Lorsque des scientifiques projettent une impulsion laser puissante et ultra-rapide sur un matériau magnétique, ils peuvent perturber cet équilibre en une fraction de seconde, forçant le matériau dans un état loin de son équilibre naturel. Ce domaine d'étude, connu sous le nom de magnétisme ultra-rapide, vise à comprendre comment ces spins réagissent et se stabilisent à nouveau. Le défi réside dans la vitesse du processus : dans les métaux, l'énergie d'une impulsion laser se propage et se transforme en chaleur presque instantanément, généralement en quelques trillièmes de seconde. Une fois cela arrivé, le matériau se comporte comme un objet chaud qui refroidit, et les états non thermiques uniques qui pourraient permettre de nouvelles façons de contrôler le magnétisme disparaissent. Pendant des décennies, les chercheurs ont lutté pour trouver un moyen de maintenir ces états non thermiques spéciaux assez longtemps pour qu'ils soient utiles, car la tendance naturelle du système est de revenir à un équilibre thermique simple.

Une équipe de chercheurs a maintenant découvert un moyen de contourner ce retour rapide à la chaleur en utilisant un tour spécifique avec la lumière. Au lieu de frapper une fine couche d'un alliage magnétique appelé GdFeCo avec une seule impulsion laser, ils l'ont frappée avec deux impulsions exactement au même moment. Le matériau qu'ils ont étudié est un film amorphe, ce qui signifie que ses atomes sont disposés de manière aléatoire plutôt que selon une grille cristalline, et il possède une propriété unique où son magnétisme peut être facilement manipulé par la lumière. En ajustant soigneusement la force de ces deux impulsions simultanées, les scientifiques ont observé quelque chose d'inattendu : les spins magnétiques ne se sont pas contentés de chauffer et de se stabiliser rapidement. Au lieu de cela, ils sont entrés dans un état où leur oscillation, ou vacillement, a duré des centaines de picosecondes — des centaines de trillièmes de seconde — bien plus longtemps que d'habitude. Cet état prolongé suggère que le matériau a été maintenu dans une configuration non thermique spécifique qui ne se produit pas lorsqu'il est frappé par une seule impulsion, même si la quantité totale d'énergie délivrée est la même.

L'expérience a été conçue pour distinguer deux causes possibles de ce comportement étrange. Lorsque deux faisceaux laser frappent une surface à des angles légèrement différents, ils créent un motif de rayures claires et sombres, semblable aux ondulations formées lorsque deux pierres sont jetées dans un étang. Ce motif signifie que certaines parties du matériau chauffent plus que d'autres, ce qui pourrait théoriquement faire perdre le rythme aux spins magnétiques à des rythmes différents, faisant paraître le signal global comme s'il s'éteignait plus vite. Les chercheurs savaient que ce « déphasage magnétostatique » était un effet réel qui se produisait tôt, mais ils devaient voir si autre chose se passait plus tard. Ils ont mis en place un arrangement symétrique où ils pouvaient changer progressivement l'intensité d'un faisceau laser tout en gardant l'autre fixe, glissant de fait d'un scénario à impulsion unique vers un scénario à double impulsion. Ils ont découvert qu'à une plage d'énergie totale très spécifique, le comportement du matériau changeait radicalement. Le vacillement magnétique est devenu beaucoup plus stable, durant bien plus longtemps que dans toute autre plage d'énergie, et sa fréquence a légèrement augmenté.

Cette fenêtre d'énergie spécifique est la clé de la découverte. Si l'effet était simplement causé par le motif de chaleur ou la quantité totale d'énergie, les changements se seraient produits progressivement à mesure que l'énergie augmentait. Au lieu de cela, les chercheurs ont vu un changement net et distinct qui n'apparaissait que lorsque les deux impulsions étaient présentes ensemble. Ils ont mesuré la durée de cet effet en analysant le signal dans des fenêtres de temps glissantes, passant des tout premiers instants après le choc du laser à plusieurs centaines de picosecondes plus tard. Ils ont constaté que la perturbation initiale causée par le motif de chaleur s'estompa rapidement, en environ 100 picosecondes. Cependant, la stabilité accrue du vacillement magnétique a persisté pendant toute la durée de leur mesure, durant au moins 300 picosecondes. Cette longue durée prouve que l'effet n'est pas seulement une confusion temporaire causée par un chauffage inégal, mais un changement fondamental dans la façon dont le matériau se relaxe. Le matériau était effectivement « piégé » dans un état où les spins pouvaient continuer à bouger à l'unisson beaucoup plus longtemps que la physique ne le permet habituellement.

Pour comprendre ce qui se passait à l'intérieur du matériau, les chercheurs ont examiné les règles microscopiques qui régissent la perte de spin des électrons. Dans les métaux, les électrons rebondissent généralement sur les atomes ou d'autres électrons, et lors de ces collisions, il existe une petite chance qu'ils inversent la direction de leur spin, ce qui provoque la rupture de l'ordre magnétique. Ce processus est régi par un paramètre qui décrit la facilité avec laquelle le spin peut se mélanger au mouvement de l'électron. Les chercheurs ont trouvé que l'excitation par double impulsion semblait réduire cette probabilité de mélange. En termes plus simples, les deux lasers travaillant ensemble semblaient créer un environnement électronique où les électrons étaient moins susceptibles d'inverser leur spin lors des collisions. Cette réduction de l'inversion de spin a permis au mouvement magnétique collectif de survivre beaucoup plus longtemps. Le fait que la fréquence du vacillement ait également augmenté légèrement suggère qu'il ne s'agissait pas d'un effet thermique, car chauffer un aimant le fait généralement vaciller plus lentement, et non plus rapidement.

L'étude écarte l'idée qu'il s'agisse simplement du résultat du fait que le matériau chauffe davantage ou du motif spatial de la lumière interférant avec la mesure. Les chercheurs ont montré que l'effet est reproductible et dépend de la voie spécifique que prend la lumière pour exciter le matériau, plutôt que de la quantité totale d'énergie déposée. Ils ont également écarté la possibilité que le signal soit un mélange confus de différentes fréquences, confirmant que le matériau oscillait comme une unité unique et cohérente. Les résultats suggèrent qu'en utilisant deux champs lumineux cohérents simultanément, les scientifiques peuvent diriger l'état électronique d'un matériau vers une configuration inaccessible avec une impulsion unique. Cette configuration est un état de non-équilibre de longue durée où les règles de relaxation du spin sont temporairement altérées.

Ce travail ouvre une nouvelle perspective sur la façon dont nous pourrions contrôler les matériaux magnétiques. Il démontre que la manière dont l'énergie est délivrée — la voie spécifique et le timing de l'excitation — compte tout autant que la quantité d'énergie elle-même. En choisissant la bonne combinaison d'impulsions lumineuses, il est possible d'accéder à des états de la matière cachés qui ne sont pas disponibles par un chauffage conventionnel ou une excitation à impulsion unique. Bien que les détails microscopiques exacts de la façon dont les deux champs lumineux interagissent pour créer cet état restent un sujet de recherche future, le résultat est clair : la méthode à double impulsion fournit un nouvel outil pour l'ingénierie des propriétés magnétiques. Cela suggère qu'à l'avenir, nous pourrions utiliser la lumière non seulement pour chauffer ou basculer des aimants, mais pour stabiliser des états magnétiques spécifiques pendant des périodes plus longues, menant potentiellement à de nouvelles façons de traiter l'information ou de stocker des données qui opèrent sur des échelles de temps et des principes auparavant jugés impossibles.