​Vers une meilleure compréhension de la dynamique magnétique ultrarapide

Les vortex magnétiques, présents dans les micro et nanostructures, constituent des briques élémentaires pour de nombreuses applications en spintronique, comme les capteurs ou la mémoire magnétique. Mieux comprendre leur dynamique à l'échelle ultrarapide représente un enjeu majeur pour la manipulation et le contrôle des états magnétiques à l'échelle nanométrique. Une collaboration internationale impliquant des chercheurs du CEA (Iramis/Lidyl et IRIG/Spintec) vient de démontrer, pour la première fois, la possibilité de suivre en temps réel l'évolution de l'aimantation d'un vortex magnétique à l'aide d'un faisceau de lumière ultraviolette extrême (XUV) doté d'un moment angulaire orbital.

Dans un matériau magnétique, une impulsion laser infrarouge ultrarapide déclenche une perte transitoire de l'aimantation, due à une redistribution énergétique entre les électrons, les phonons et les spins. Cette phase de désaimantation - ré-aimantation reste difficile à caractériser en détail, notamment pour des structures complexes comme les vortex magnétiques. Les chercheurs ont mis en œuvre une méthode expérimentale innovante, fondée sur le dichroïsme magnétique hélicoïdal (MHD), pour filmer à l'échelle de la picoseconde la réponse magnétique d'un vortex après excitation.

Une nouvelle méthode pour sonder l'aimantation ultrarapide

Dans l'expérience menée sur le laser à électrons libres FERMI (Trieste), un vortex magnétique micrométrique, déposé sur une puce de silicium, est tout d'abord excité par une impulsion laser infrarouge femtoseconde. Après un délai contrôlé, une impulsion XUV portant un moment angulaire orbital vient sonder la structure magnétique. En inversant le sens de rotation du vortex et en comparant la diffusion de la lumière XUV, les chercheurs extraient un signal de MHD permettant de suivre l'évolution fine de l'aimantation.

Les résultats révèlent une dynamique complexe, avec des modifications structurées selon l'épaisseur du vortex, et jusqu'à une inversion temporaire de l'aimantation en surface. Cette mesure directe, spatialisée et résolue en temps, apporte un nouvel éclairage sur les mécanismes fondamentaux de la dynamique ultrarapide du magnétisme, encore mal compris.

Ce travail, publié dans Physical Review Letters, montre l'intérêt du dichroïsme hélicoïdal résolu en temps comme nouvelle méthode de diagnostic magnétique. Il ouvre la voie à une meilleure compréhension des processus physiques associés à l'écriture et à la manipulation de l'information magnétique à des échelles spatio-temporelles nanométriques et femtosecondes.