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Vers des dispositifs opto-magnétiques cinq fois plus sobres en énergie

Vers des dispositifs opto-magnétiques 5 fois plus sobres en énergie

par La rédaction
11 février 2025
en Optique, Technologie

L’interaction entre lumière et magnétisme, longtemps explorée dans des laboratoires à travers le monde, suscite un regain d’intérêt pour ses applications potentielles en matière de stockage et de traitement de l’information. Une équipe de chercheurs japonais a récemment mis en lumière une méthode inédite qui pourrait redéfinir les standards actuels de l’efficacité énergétique dans ce domaine. Leur travail repose sur des propriétés quantiques méconnues jusqu’ici, offrant ainsi une nouvelle dimension aux dispositifs opto-magnétiques.

Des scientifiques affiliés à l’université de Tohoku ont mené des recherches approfondies sur les interactions entre la lumière polarisée circulairement et les matériaux magnétiques. L’équipe, dirigée par Koki Nukui, Satoshi Iihama et Shigemi Mizukami, a observé un phénomène particulièrement remarquable : un couple opto-magnétique cinq fois plus efficace que celui obtenu avec des aimants traditionnels. Ce résultat a été rendu possible grâce à la conception d’alliages nanométriques innovants, combinant du cobalt et du platine à des proportions spécifiques.

Le processus implique des effets quantiques relativistes propres au platine, qui amplifient considérablement le couple magnétique exercé par la lumière. Ces effets, liés à la dynamique orbitale des électrons, permettent de modifier l’orientation des champs magnétiques avec une intensité lumineuse réduite. En conséquence, les dispositifs basés sur cette technologie nécessitent désormais cinq fois moins d’énergie pour produire des résultats similaires. Une telle optimisation constitue un pas significatif vers des systèmes plus sobres en énergie.

Les mécanismes sous-jacents expliqués

L’étude réalisée met en exergue le rôle prépondérant joué par le moment angulaire orbital des électrons. Celui-ci est généré lorsque la lumière polarisée circulairement interagit avec les alliages métalliques riches en platine. Cette interaction provoque une redistribution des électrons dans les couches atomiques, entraînant une modification des propriétés magnétiques du matériau. Les chercheurs ont également souligné que l’effet découvert est amplifié par des phénomènes quantiques relativistes, rarement exploités dans des contextes pratiques.

Grâce à leur approche expérimentale, les scientifiques ont pu démontrer que la dissipation d’énergie associée à ces processus est minimisée. « Ces améliorations pourraient aboutir à des dispositifs plus rapides et plus économes en énergie à l’avenir« , a précisé Shigemi Mizukami, ajoutant ainsi une dimension concrète à leurs travaux. Cette déclaration illustre l’importance accordée à l’optimisation énergétique dans les technologies modernes.

Lorsqu'une lumière polarisée circulairement est incidente perpendiculairement à la surface d'un film nanométrique d'alliage cobalt-platine, composé de cobalt et de platine, un couple opto-magnétique est généré (vecteurs rouge et bleu) qui modifie la direction de l'aimantation (vecteur noir). Le couple opto-magnétique est constitué de composantes hors plan (vecteur rouge) et dans le plan (vecteur bleu).
Lorsqu’une lumière polarisée circulairement est incidente perpendiculairement à la surface d’un film nanométrique d’alliage cobalt-platine, composé de cobalt et de platine, un couple opto-magnétique est généré (vecteurs rouge et bleu) qui modifie la direction de l’aimantation (vecteur noir). Le couple opto-magnétique est constitué de composantes hors plan (vecteur rouge) et dans le plan (vecteur bleu). Nukui et al.

Applications potentielles et implications industrielles

Les résultats obtenus ouvrent la voie à des innovations majeures dans le domaine des mémoires à spin activées par la lumière. La capacité de contrôler les propriétés magnétiques à l’aide de faisceaux lumineux offre des opportunités uniques pour le développement de dispositifs capables d’enregistrer des informations avec une consommation énergétique drastiquement réduite. Par ailleurs, les alliages nanométriques utilisés dans ces expériences pourraient être intégrés dans divers secteurs industriels, notamment ceux liés aux semi-conducteurs et aux technologies photoniques.

La recherche s’inscrit dans une tendance croissante visant à fusionner les technologies électroniques et optiques. Cette synergie, souvent désignée comme l’opto-électronique, vise à combiner les avantages respectifs de ces deux domaines pour créer des solutions novatrices.

Un impact durable sur la science des matériaux

Outre leurs implications pratiques, les conclusions tirées de cette étude enrichissent également la compréhension fondamentale des propriétés physiques des matériaux magnétiques. Les chercheurs ont apporté des éléments nouveaux concernant le rôle du moment angulaire orbital dans les métaux magnétiques, une thématique encore largement inexplorée. Leurs observations fournissent des bases solides pour des recherches futures centrées sur l’exploitation de ces phénomènes dans des applications variées.

En définitive, les efforts déployés par l’équipe japonaise témoignent d’une volonté affirmée d’explorer des territoires scientifiques inédits. Leur succès inspire déjà d’autres initiatives visant à perfectionner les dispositifs opto-magnétiques tout en répondant aux exigences environnementales contemporaines.

Légende illustration : GEN AI

Article : ‘Light-Induced Torque in Ferromagnetic Metals via Orbital Angular Momentum Generated by Photon Helicity’ / ( 10.1103/PhysRevLett.134.016701 ) – Advanced Institute for Materials Research (AIMR), Tohoku University – Publication dans la revue Physical Review Letters

Source : U. Tohoku

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Tags: antiferromagnetismelumiereoptoelectronique
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Researchers at Tohoku University have achieved a significant advancement in opto-magnetic technology, observing an opto-magnetic torque approximately five times more efficient than in conventional magnets. This breakthrough, led by Mr. Koki Nukui, Assistant Professor Satoshi Iihama, and Professor Shigemi Mizukami, has far-reaching implications for the development of light-based spin memory and storage technologies.

Opto-magnetic torque is a method which can generate force on magnets. This can be used to change the direction of magnets by light more efficiently. By creating alloy nanofilms with up to 70% platinum dissolved in cobalt, the team discovered that the unique relativistic quantum mechanical effects of platinum significantly boost the magnetic torque. The study revealed that the enhancement of opto-magnetic torque was attributed to the electron orbital angular momentum generated by circularly polarized light and relativistic quantum mechanical effects.

This achievement allows for the same opto-magnetic effect to be produced with only one-fifth of the previous light intensity, paving the way for more energy-efficient opto-magnetic devices. The findings not only provide new insights into the physics of electron orbital angular momentum in metallic magnetic materials but also contribute to the development of high-efficiency spin memory and storage technologies that use light to write information.

"These improvements could result in faster and more energy-efficient devices in the future," explains Mizukami.

The research aligns with the growing interest in opto-electronic fusion technologies, combining electronic and optical technologies for next-generation applications. This discovery marks a significant step forward in controlling nanomagnetic materials using light and magnetism.

These findings were published in Physical Review Letters on January 2, 2025.

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About the World Premier International Research Center Initiative (WPI)

The WPI program was launched in 2007 by Japan's Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) to foster globally visible research centers boasting the highest standards and outstanding research environments. Numbering more than a dozen and operating at institutions throughout the country, these centers are given a high degree of autonomy, allowing them to engage in innovative modes of management and research. The program is administered by the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS).

See the latest research news from the centers at the WPI News Portal: https://www.eurekalert.org/newsportal/WPI
Main WPI program site:  www.jsps.go.jp/english/e-toplevel

Advanced Institute for Materials Research (AIMR)
Tohoku University

Establishing a World-Leading Research Center for Materials Science

AIMR aims to contribute to society through its actions as a world-leading research center for materials science and push the boundaries of research frontiers. To this end, the institute gathers excellent researchers in the fields of physics, chemistry, materials science, engineering, and mathematics and provides a world-class research environment.

AIMR site: https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/en/

Journal

Physical Review Letters

DOI

10.1103/PhysRevLett.134.016701

Article Title

Light-Induced Torque in Ferromagnetic Metals via Orbital Angular Momentum Generated by Photon Helicity

Article Publication Date

2-Jan-2025

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