Des lasers intenses magnétisent les solides en quelques attosecondes

La lumière laser intense peut créer un magnétisme attoseconde dans les solides contenant des atomes lourds, offrant de nouvelles perspectives sur la magnétisation et permettant potentiellement des dispositifs de mémoire ultrarapides.

La lumière laser intense peut induire un magnétisme dans les solides à l’échelle de l’attoseconde – la réponse magnétique la plus rapide à ce jour. C’est la conclusion à laquelle sont parvenus les théoriciens du MPSD, qui ont utilisé des simulations avancées pour étudier le processus d’aimantation dans plusieurs matériaux 2D et 3D. Leurs calculs montrent que, dans les structures à atomes lourds, la dynamique électronique rapide initiée par les impulsions laser peut être convertie en magnétisme attoseconde. Le travail a été publié dans la revue npj Matériaux informatiques.

L’équipe s’est concentrée sur plusieurs systèmes de matériaux 2D et 3D de référence, mais les résultats s’appliquent à tous les matériaux contenant des constituants atomiques lourds. “Les atomes lourds sont particulièrement importants, car ils induisent une forte interaction spin-orbite”, explique l’auteur principal Ofer Neufeld. “Cette interaction est essentielle pour convertir le mouvement des électrons induit par la lumière en polarisation de spin – en d’autres termes, en magnétisme. Sinon, la lumière n’interagit tout simplement pas avec le spin des électrons.

Tout comme les minuscules aiguilles d’une boussole, les électrons peuvent également être imaginés comme ayant une aiguille interne qui pointe vers une certaine direction dans l’espace, par exemple « vers le haut » ou « vers le bas » — ce que l’on appelle le « spin ». La direction de spin de chaque électron dépend de l’environnement chimique qui l’entoure, par exemple, des atomes qu’il peut voir et de l’emplacement des autres électrons. Dans les matériaux non magnétiques, les électrons tournent également dans toutes les directions. En revanche, lorsque les spins des électrons individuels s’alignent les uns avec les autres pour pointer dans la même direction, le matériau devient magnétique.

Les théoriciens ont entrepris d’étudier les phénomènes magnétiques qui peuvent se produire lorsque des solides interagissent avec des impulsions laser intenses à polarisation linéaire, qui accélèrent généralement les électrons sur des échelles de temps très rapides à l’intérieur de la matière. “Ces conditions sont fascinantes à explorer, car lorsque les impulsions laser ont une polarisation linéaire, on pense généralement qu’elles n’induisent aucun magnétisme”, explique Neufeld.

De manière inattendue, leurs simulations ont montré que ces lasers particulièrement puissants magnétisent les matériaux, même si le magnétisme est transitoire – il ne dure que jusqu’à ce que l’impulsion laser soit éteinte. La découverte la plus remarquable, cependant, concernait la vitesse de ce processus : la magnétisation évolue sur des échelles de temps extrêmement courtes, moins de 500 attosecondes – une prédiction pour la réponse magnétique la plus rapide de tous les temps. Une attoseconde est un quintillionième de seconde (1×10⁻¹⁸ d’une seconde). Pour l’échelle, une seule attoseconde est à une seconde comme une seconde est à environ 32 milliards d’années.

En utilisant des outils de simulation avancés pour expliquer le mécanisme sous-jacent, l’équipe a montré que la lumière intense inverse les spins des électrons. Le laser accélère efficacement les électrons sur des orbites circulaires en l’espace de quelques centaines d’attosecondes. Ces fortes interactions spin-orbite alignent alors les directions de spin. Le processus peut être imaginé comme une boule de bowling glissant sur une surface qui commence alors à rouler : dans cette analogie, la lumière pousse la boule et les interactions spin-orbite (une force provenant des noyaux lourds à proximité lorsque l’électron orbite autour il) le fait rouler d’avant en arrière, le magnétisant. Les deux forces agissent ensemble pour faire rouler la balle.

Les résultats offrent de nouvelles perspectives fascinantes sur les principes fondamentaux de la magnétisation, déclare Neufeld : « Nous avons découvert qu’il s’agit d’un effet hautement non linéaire qui peut être réglé par les propriétés du laser. Les résultats suggèrent, mais ne prouvent pas sans équivoque, que la limite de vitesse ultime pour le magnétisme est de plusieurs dizaines d’attosecondes, car c’est la limite de vitesse naturelle du mouvement électronique.

Comprendre ces processus de magnétisation induits par la lumière à leur niveau fondamental dans une gamme de matériaux est une étape cruciale vers le développement de dispositifs de mémoire ultrarapides et modifie la compréhension actuelle du magnétisme.

Référence : « Attosecond magnetization dynamics in non-magnetic materials drived by intense femtosecond lasers » par Ofer Neufeld, Nicolas Tancogne-Dejean, Umberto De Giovannini, Hannes Hübener et Angel Rubio, 23 mars 2023, npj Matériaux informatiques.
DOI : 10.1038/s41524-023-00997-7