Un clin d’œil et vous le manquerez : la commutation du magnétisme dans les antiferromagnétiques

Une équipe de recherche dirigée par Ryo Shimano de l’Université de Tokyo a réussi à visualiser deux mécanismes distincts par lesquels les spins vers le haut et vers le bas, propriétés inhérentes des électrons, commutent dans un antiferromagnétique, un matériau où les alignements de spins s’annulent mutuellement. L’un des mécanismes visualisés fournit un principe de fonctionnement pour développer des dispositifs de mémoire magnétique et logique ultrarapides et non volatils, qui pourraient être bien plus rapides que les technologies actuelles.

Fiches de papier perforées, petites tiges métalliques, tubes à vide et transistors : ce sont les technologies qui ont été utilisées pour coder les 0 et les 1, base du calcul classique. Cependant, les besoins de calcul toujours croissants du monde exigent des outils encore plus puissants. Les antiferromagnétiques sont une classe de matériaux dont les propriétés magnétiques, ou leur absence, pourraient être exploitées pour coder les 0 et les 1 d’une manière nouvelle.

« Pendant de nombreuses années, explique Ryo Shimano, les scientifiques pensaient que les antiferromagnétiques comme le Mn₃Sn (manganèse trois étain) pouvaient commuter leur aimantation extrêmement rapidement. Cependant, il n’était pas clair si cette commutation non volatile pouvait s’achever en quelques à plusieurs dizaines de picosecondes, ni comment l’aimantation évoluait réellement pendant le processus de commutation. »

La plus grande question concernant le mécanisme était de savoir s’il était entraîné par la chaleur générée par le courant électrique ou par le courant lui-même. Les chercheurs se sont donc lancés dans la recherche d’une réponse à cette question en visualisant le mécanisme. Ils ont préparé une fine couche de Mn₃Sn et y ont envoyé de courtes impulsions électriques. Puis, en utilisant des éclairs de lumière ultrarapides précisément contrôlés avec des délais variables par rapport à l’impulsion électrique, ils ont tenté de créer une « image en accéléré » du changement d’aimantation.

« La partie la plus difficile du projet, se souvient Ryo Shimano, était de mesurer les changements infinitésimaux du signal magnéto-optique. Cependant, nous avons été surpris de voir avec quelle clarté nous avons finalement pu observer le processus de commutation une fois la bonne méthode établie. »

Leur résultat était quelque chose qui n’avait jamais été vu auparavant : une visualisation image par image du changement du motif magnétique. Les images ont révélé que la commutation se produit selon deux processus distincts en fonction de l’amplitude du courant : l’un entraîné par un processus thermique sous un fort courant et l’autre sans chauffage substantiel sous un faible courant. Ce dernier processus pourrait servir de base à des applications dans le développement de dispositifs spintroniques fiables de nouvelle génération pour l’informatique, les communications et l’électronique avancée.

Pour Ryo Shimano, cela signifie une chose : des frontières de la connaissance qui attendent d’être repoussées.

« Notre observation actuelle la plus rapide, résolue dans le temps, de la commutation électrique dans le Mn₃Sn est de 140 picosecondes, limitée principalement par la brièveté des impulsions de courant que nous pouvons générer avec notre configuration expérimentale. Cependant, nos résultats suggèrent que le matériau lui-même pourrait commuter encore plus rapidement dans des conditions appropriées. À l’avenir, nous visons à explorer ces limites ultimes en créant des impulsions de courant encore plus courtes et en optimisant la structure du dispositif. »

Article : Ultrafast time-resolved observation of non-thermal current-induced switching in an antiferromagnetic Weyl semimetal – Journal : Nature Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Tokyo U.