Diverses applications en spintronique, comme les capteurs ou les mémoires magnétiques, exploitent les vortex magnétiques, qui consistent en des distributions circulaires d’aimantation. Les chercheurs étudient la dynamique ultra-rapide de ces vortex pour la manipulation et le contrôle des états magnétiques à l’échelle nanométrique.
Dans un matériau magnétique, une impulsion laser infrarouge provoque une perte transitoire de l’aimantation, déclenchée par une redistribution de l’énergie entre les électrons, les phonons et les spins. Cependant, la réponse de l’aimantation des structures magnétiques complexes telles que les vortex est difficile à caractériser. Les chercheurs ont mis en œuvre une méthode innovante pour sonder la vorticité de l’aimantation à l’échelle de la picoseconde grâce au dichroïsme magnétique hélicoïdal (MHD).
Dans l’expérience menée au laboratoire FERMI à Trieste (Italie), une première impulsion laser infrarouge femtoseconde est appliquée sur un pilier magnétique posé sur un substrat en silicium. Cela permet d’exciter thermiquement un vortex magnétique de diamètre micrométrique. Après un délai contrôlé, une seconde impulsion laser à plus haute énergie (extrême UV) portant un moment angulaire orbital sonde la structure magnétique. Les chercheurs ont montré qu’il est possible de suivre l’évolution du vortex magnétique grâce à son interaction avec la lumière par l’effet du dichroïsme magnétique hélicoïdal MHD, en inversant le sens de rotation du vortex puis en comparant la diffusion de la lumière extrême UV.
Les résultats révèlent une dynamique complexe, avec des modifications du vortex dans son épaisseur, avec même une inversion temporaire de son sens en surface. Cette mesure directe et résolue en temps, apporte un nouvel éclairage sur les mécanismes fondamentaux de la dynamique ultrarapide, encore mal compris.
Dans le cadre de cette étude, le laboratoire du
CEA-Irig/SPINTEC a élaboré les échantillons étudiés puis il a effectué des simulations micromagnétiques qui ont permis de corroborer les résultats expérimentaux et de fournir ainsi une interprétation théorique aux résultats observés.
Dispositif expérimental : au centre, une première impulsion courte IR excite l’aimantation du vortex magnétique dans un plot de permalloy (forme dite pacman, en gris). Puis, une seconde impulsion laser XUV avec un moment angulaire orbital sonde le système. Ensuite, un champ magnétique H appliqué permet d’inverser le sens de rotation de l’aimantation du vortex. Finalement, les images de diffusion de la lumière avec des zones de différentes couleurs, entre les orientations magnétiques droite et gauche, déterminent le signal de dichroïsme magnétique hélicoïdal, permettant de suivre la dynamique de l’aimantation. © CEA
Ce travail montre l’intérêt du dichroïsme hélicoïdal résolu en temps comme nouvelle méthode de caractérisation 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.
Collaboration
- New Technologies Research Center, Université West Bohemia,
- Republique Tchèque
Elettra-Sincrotrone Trieste, Trieste, Italie
- Department of Molecular Sciences and Nanosystems, Université de Venise, Italie
- Sorbonne Université, CNRS, Institut des NanoSciences de Paris, France
- Laboratory of Quantum Optics, Université Nova Gorica, Slovénie
PSI
- Center for Photon Science, Paul Scherrer Institute, Suisse
- Synchrotron SOLEIL, Gif-sur-Yvette, France