Les états magnétiques présents dans la matière inspirent la conception de nouveaux états de la lumière. Une équipe de l’Institut FEMTO-ST a réussi à créer un équivalent optique des ondes de spin se propageant dans les aimants. Ces travaux, basés sur une analogie entre les propriétés chirales des matériaux magnétiques et des métamatériaux optiques, sont publiés dans la revue Nano Letters.
Les aimants possèdent la capacité de générer et de propager des ondes magnétiques microscopiques. Ces ondes, appelées ondes de spin, sont quantifiées sous forme de quasiparticules nommées magnons. Elles résultent de la précession des micro-aimantations au cœur du matériau et des couplages entre ces micro-aimantations tournantes.
Actuellement, les ondes de spin sont au centre d’une activité scientifique intense, connue sous le nom de magnonique. Cette discipline envisage le transport et le traitement de l’information dans des architectures miniatures intégrées, sans déplacement d’électrons. La magnonique pourrait ainsi engendrer des composants informatiques qui ne chauffent pas, se positionnant comme une alternative à l’électronique, moins énergivore.
Équivalent Optique des Ondes de Spin
Des chercheurs de l’Institut FEMTO-ST (CNRS/Université de Franche-Comté/Supmicrotech-ENSMM/Université Technologique Belfort-Montbéliard) ont conçu et réalisé un équivalent optique des ondes de spin magnétiques. Leur travail porte sur des chaînes de nano-hélices en carbone recouvertes d’une fine couche d’or.
L’excitation lumineuse de ces structures plasmoniques déclenche des ondes de spin optique se propageant à travers la structure périodique. Chaque nano-hélice développe un phénomène optique local tournant qui, par couplages successifs entre nanostructures adjacentes, aboutit à la production d’une nouvelle onde lumineuse partageant des similitudes avec les ondes de spin magnétiques.
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Chiralité et Ondes de Spin Optiques
Cette approche repose sur l’exploitation de la chiralité géométrique de la matière nanostructurée comme équivalent pour l’optique de la chiralité gyromagnétique. La chiralité gyromagnétique est à l’origine des micro-aimantations tournantes produisant les ondes de spin magnétiques.
Les ondes de spin optiques permettent d’envisager des moyens inédits de contrôler la lumière à très petite échelle. Sous leurs formes élémentaires, les ondes de spin optiques pourraient aboutir au concept de magnons optiques, une nouvelle famille de quasiparticules de lumière transportées dans des réseaux de nanostructures chirales à modes propres tournants.
Légende illustration : image au microscope électronique à balayage d’une chaîne d’hélices, support des ondes de spin optiques. L’échantillon est constitué de dix hélices de carbone de 6 tours recouvertes d’une fine couche d’or (25 nm). Les nanostructures sont fabriquées sur une couche d’or de 100 nm d’épaisseur déposée sur un substrat de verre de 1 mm d’épaisseur. Barres d’échelle : 2 µm. La chaine « plasmonique » est excitée localement à l’aide d’une nano-ouverture rectangulaire gravée au pieds de la nano-hélice la plus à droite. Sous illumination par le substrat, la nano-ouverture couple ponctuellement la lumière à la chaîne de nano-hélices. © Femto-ST
Optical Spin Waves. V. Karakhanyan, R. Salut, M.A. Suarez, N. Martin and T. Grosjean.
Nano Letters (2024). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01346
