Des accumulations ultra-rapides de spin permettent de renverser l’aimantation dans les matériaux magnétiques

Le contrôle et la manipulation ultra-rapide d’états magnétiques locaux dans la matière est un enjeu majeur des technologies de l’information, dans un monde où les besoins en stockage et traitement des données croissent exponentiellement. Une voie particulièrement prometteuse dans ce domaine est fournie par la spintronique, une technologie qui se propose non seulement d’exploiter la charge des électrons, mais également leur spin (une propriété quantique qui les fait se comporter comme de minuscules aimants).

Ces recherches ont été menées dans le laboratoire CNRS suivant :

• Institut Jean Lamour (IJL, CNRS/Université Lorraine)

Dans une étude récente, des chercheurs ont ainsi réussi à contrôler l’aimantation d’un matériau en utilisant la lumière. Ils ont utilisé des impulsions laser ultra-courtes (de l’ordre de la femtoseconde, soit un millionième de milliardième de seconde) pour générer et détecter des accumulations de spins à l’intérieur d’une couche de cuivre, un matériau naturellement non-magnétique. Pour rendre cela possible, les chercheurs ont fabriqué des structures contenant deux couches magnétiques séparées par une couche de cuivre et ont excité et sondé ces assemblages avec des faisceaux laser. Dans un travail précédent, ils avaient démontré que dans ces structures, un apport de chaleur ultra-rapide grâce au laser était capable de retourner l’aimantation d’une des couches magnétiques en moins de 1000 femtosecondes - une façon d’écrire de l’information extrêmement rapidement dans une mémoire. Dans ce nouveau travail, les chercheurs montrent que dans ces mêmes structures, des accumulations de spin importantes sont générées dans le cuivre à la suite de l’échauffement et du refroidissement des couches magnétiques. Ces accumulations, par la suite, agissent sur l’orientation magnétique des couches, et parviennent à retourner l’aimantation d’une des couches. Pour mettre au jour ces mécanismes, les chercheurs ont mis au point ces dernières années une méthode optique novatrice pour la détection des accumulations de spins, sur des échelles de temps ultra-rapides. Les techniques développés par l’équipe permettent pour la première fois de détecter indépendamment la dynamique de l’aimantation et de celle des accumulations de spin dans des systèmes multicouches complexes. Ce travail permet de mieux comprendre comment les spins s’accumulent et interagissent avec l’aimantation des couches magnétiques dans ces systèmes. Les mécanismes découverts permettent de manipuler l’aimantation bien plus rapidement que les technologies actuelles, ouvrant la voie à des mémoires informatiques ou des capteurs ultra-rapides. Ces résultats sont publiés dans les Physical Review Letters.