Une autre façon de transporter l'information
L'électronique, ainsi qu'une large majorité de technologies de l'information et de la communication actuelles, reposent sur le déplacement des charges électriques. La spintronique, elle, exploite une autre propriété fondamentale des électrons, leur spin, comme vecteur d'information sous forme de courants de spin. Ces derniers peuvent potentiellement transporter l'information à des coûts énergétiques extrêmement réduit s'ils sont « purs », i.e. sans transport de charge électrique.
Parmi les matériaux les plus prometteurs, les antiferromagnétiques se distinguent par leur structure unique : leurs moments magnétiques atomiques, alignés en alternance opposée, annulent toute aimantation nette. Cette configuration leur confère une stabilité remarquable et des dynamiques magnétiques intrinsèquement ultrarapides, pouvant atteindre le domaine térahertz, soit près de mille milliards d'oscillations par seconde.
Si le transport de courants de spin continus, voire gigahertz, avait déjà été démontré dans ces matériaux, leur capacité à exploiter pleinement ce potentiel ultrarapide restait à prouver. En particulier, aucune étude n'avait encore montré qu'un courant de spin ultrarapide pouvait être transféré à une texture antiferromagnétique pour y déclencher directement une dynamique magnétique térahertz.
Observer un transfert ultrarapide de spin
Pour relever ce défi, les chercheurs du Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes (SPEC, UMR CEA-CNRS de l'Iramis), en collaboration avec le Laboratoire Albert Fert (CNRS-Thales) et le SPMS (CentraleSupélec), ont étudié la dynamique ultrarapide d'une hétérostructure constituée d'une fine couche ferromagnétique déposée sur une couche mince épitaxiée de BiFeO3, un matériau antiferromagnétique isolant.
Une impulsion laser de quelques femtosecondes génère une impulsion de courant de spin dans la couche ferromagnétique. En suivant l'évolution temporelle des propriétés magnétiques de cette hétérostructure, ils démontrent qu'une partie du moment angulaire transporté par ce courant est convertie et transférée vers l'antiferromagnétique. Ce transfert modifie la dynamique de la couche ferromagnétique, le générateur d'impulsion de courant de spin, et déclenche une dynamique collective des spins dans le BiFeO3.
Des oscillations térahertz, caractéristiques de l'antiferromagnétique
Cette dynamique antiferromagnétique térahertz se manifeste sous la forme d'oscillations cohérentes, c'est-à-dire que les spins évoluent de manière synchronisée. Dans le BiFeO₃ ces excitations magnétiques sont connues sont le nom d'électro-magnon.
La méthodologie expérimentale permet également de montrer de manière pionnière que le principal mécanisme est le couple exercé sur la texture antiferromagnétique par ce transfert de moment angulaire à l'interface entre le CoFeB et le BiFeO3.
Une étape importante pour la spintronique ultrarapide
Cette étude fournit la première démonstration expérimentale qu'un courant de spin ultrarapide peut transférer efficacement son moment angulaire à un antiferromagnétique isolant et y déclencher une dynamique magnétique térahertz.
Ces travaux améliorent la compréhension des mécanismes de transfert de spin aux échelles de temps les plus courtes. Ils ouvrent de nouvelles perspectives pour étudier la propagation de l'information magnétique dans les matériaux antiferromagnétiques et pour explorer le potentiel de la spintronique térahertz, un domaine de recherche qui vise à exploiter ces dynamiques ultrarapides pour le transport et le traitement de l'information magnétique.