Cela fonctionne: un processus magnétique ultrarapide observé en temps direct grâce à un laser à rayon X

Les matériaux aux propriétés magnétiques particulières sont à la base de la plupart des technologies actuelles, en particulier pour la sauvegarde des données sur les disques durs et autres médias. Dans de tels systèmes, on utilise le plus souvent des ordres magnétiques du matériau: les atomes du matériau en question se comportent partiellement comme de minuscules barreaux aimantés (Spins). Ces minis aimants peuvent s’aligner de différentes façons. Ainsi leur alignement peut-être utilisé pour mémoriser de l’information. Pour une mémorisation efficace il est essentiel de pouvoir effacer rapidement les anciennes données. Ceci est possible lorsque le régime magnétique dans un matériau est modifiable dans un temps très court. Pour développer de nouveaux matériaux qui permettent une mémorisation encore plus rapide, il est donc important de comprendre exactement l’évolution temporelle de cette modification.

Ordre magnétique en mouvement

Une équipe scientifique conduite par des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer, est maintenant parvenue à étudier le processus concernant les ordres magnétiques dans l’oxyde de cuivre CuO lors d’expériences réalisées au laser à rayon X LCLS à Stanford en Californie. Ce matériau présente selon la température des régimes magnétiques entièrement différents: en dessous de -60 degrés Celsius les spins qui agissent sur les atomes de cuivre, s’alternent dans une direction et l’autre; alors qu’entre -60 et -43 degrés Celsius les spins sont disposés en spirale comme s’ils voulaient construire un escalier en colimaçon. Si l’on sait depuis longtemps comment ces deux ordres apparaissent, en revanche c’est grâce aux travaux actuels menés par les chercheurs du PSI que le temps de migration d’un ordre à l’autre a pu être défini.

Dans notre recherche nous avons commencé avec un échantillon froid en suite nous l’avons chauffé avec un flash de lumière intense provenant d’un laser optique explique Steven Johnson, porte-parole des expériences du PSI peu après nous avons déterminé la structure de l’échantillon en l’examinant avec une impulsion extrêmement courte du laser à rayon X. En répétant ceci à différents intervalles de temps entre les flashs de lumière et les impulsions de rayon X, nous avons pu reconstruire l’évolution des modifications des structures magnétiques.

Les mini-aimants ont besoin de 400 femtosecondes, pour s’arranger

Le résultat montre qu’environ 400 femtosecondes s’écoulent jusqu’à ce que la structure commence à se modifier de façon visible. Ensuite la structure s’approche peu à peu de son nouvel état final. Ceci survient d’autant plus rapidement pour des impulsions lumineuses du laser optique de forte intensité. Dans la structure magnétique, les spins sont associés à tous les atomes de cuivre. Ainsi les atomes doivent se coordonner jusqu’aux différentes extrémités du matériau avant que la structure puisse se modifier. Pour cela 400 femtosecondes sont nécessaires, explique Urs Staub, l’un des chercheurs responsable du PSI. Ceci représente la limite fondamentale au delà de laquelle ce principe ne fonctionne simplement plus pour l’oxyde de cuivre. Ceci est en relation avec la solidité pour laquelle les spins sont couplés aux atomes voisins.

Il y a de bonnes raisons pour que les chercheurs s’intéressent en ce moment à l’oxyde de cuivre. En plus de l’ordre magnétique hélicoïdal qui apparaît entre -60 et -45 degrés Celsius, ce matériau est également multiferroïque, ce qui signifie que les processus magnétiques et électriques s’influencent mutuellement. De tels matériaux ont de nombreuses applications envisageables dans les domaines où le magnétisme et l’électronique interagissent.

Démarche essentielle pour le SwissFEL

En 2009, le LCLS était le premier laser de rayon X à électron libre à enter en fonction au niveau mondial et donc les recherches menées par le PSI figurent parmi les premières expériences effectuée dans ce laboratoire. Les impulsions extrêmement courtes de quelques femtosecondes seulement, rendent possible le suivit le changement d’état très rapide dans les matériaux, alors qu’au paravent seulement l’état initial ou l’état final ne pouvaient être mesuré. L’expérience sur l’oxyde de cuivre montre, que le laser à rayon X dans les recherches sur les matériaux magnétiques permet bel et bien de répondre aux attentes escomptées. De telles recherches seront également un des thèmes centraux du SwissFEL, le laser à rayon X prévu par l’Institut Paul Scherrer. Celui-ci sera mis en service en 2016 à proximité du site du PSI actuel.

À propos du PSI

L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à disposition de la communauté nationale et internationale. Les principales recherches de l’Institut sont centrées dans le domaine matière et matériaux, energie et environnement, santé. Avec 1400 collaborateurs et un budget annuel d’environ 300 millions CHF, le PSI est le plus grand centre de recherche de Suisse.