Des chercheurs de l'Université de Bâle et de l'ETH Zurich ont réussi à modifier la polarité d'un ferromagnétique spécial à l'aide d'un faisceau laser. Dans le futur, cette méthode pourrait être utilisée pour créer des circuits électroniques adaptables avec la lumière.
Dans un ferromagnétique, des forces combinées sont à l’œuvre. Pour qu’une aiguille de boussole pointe vers le nord ou qu’un aimant de réfrigérateur adhère à la porte du réfrigérateur, d’innombrables électrons tournent à l’intérieur, chacun ne créant qu’un minuscule champ magnétique et doivent tous s’aligner dans la même direction. Cela se produit grâce aux interactions entre les spins, qui doivent être plus fortes que le mouvement thermique désordonné à l'intérieur du ferromagnétique. Si la température du matériau est inférieure à une valeur critique, il devient ferromagnétique.
À l’inverse, pour changer la polarité d’un ferromagnétique, il faut généralement d’abord le chauffer au-dessus de sa température critique. Les spins des électrons peuvent alors se réorienter et, après refroidissement, le champ magnétique du ferromagnétique pointe finalement dans une direction différente.
Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Tomasz Smoleński de l'Université de Bâle et le professeur Ataç Imamoğlu de l'ETH de Zurich a réussi à réaliser une telle réorientation-en utilisant uniquement la lumière-sans aucun chauffage. Ils ont publié leurs résultats dansNature.
Interactions et topologie
"Ce qui est passionnant dans notre travail, c'est que nous combinons les trois grands sujets de la physique moderne de la matière condensée en une seule expérience : les interactions fortes entre les électrons, la topologie et le contrôle dynamique", explique Imamoğlu.
Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé un matériau spécial composé de deux fines couches de ditellurure de molybdène semi-conducteur organique, légèrement tordues l'une par rapport à l'autre.
Dans de tels matériaux, des-états topologiques peuvent se former. En termes simples, les états topologiques peuvent être caractérisés en fonction de leur apparence : une balle (pas de trou) ou un beignet (un trou). Il est important de noter qu’une boule ne peut pas être transformée en beignet par une simple déformation, ce qui signifie que les états topologiques sont définis de manière sans équivoque et permanente.
Dans les nouvelles expériences co-supervisées par Smoleński et Imamoğlu, les électrons pourraient être réglés entre des états topologiques isolants et des états métalliques conducteurs. Remarquablement, les interactions amènent les spins des électrons dans les deux états à s’aligner parallèlement l’un à l’autre, transformant le matériau en ferromagnétique.
"Notre principal résultat est que nous pouvons utiliser une impulsion laser pour modifier l'orientation collective des spins", explique Olivier Huber, doctorant. étudiant à l'ETH, qui a réalisé les expériences avec son collègue Kilian Kuhlbrodt et Tomasz Smoleński. Il y a quelques années, cela avait déjà été fait pour des électrons individuels, mais maintenant la « commutation » ou le changement de polarité de l'ensemble du ferromagnétique est désormais réalisée.
"Cette commutation était permanente et, de plus, la topologie influence la dynamique de commutation", explique Smoleński.
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Contrôle dynamique du ferromagnétique
De cette manière, l’impulsion laser peut également être utilisée pour tracer de nouvelles lignes limites à l’intérieur desquelles se trouve l’état ferromagnétique topologique. Cela peut être fait de manière répétée, de sorte qu'un contrôle dynamique des propriétés topologiques et ferromagnétiques soit possible.
Pour montrer que le minuscule ferromagnétique, qui ne mesure que quelques micromètres, avait réellement changé de polarité, les chercheurs ont mesuré la réflexion d'un deuxième faisceau laser, beaucoup plus faible. Cette réflexion a révélé l'orientation des spins des électrons.
"À l'avenir, nous pourrons utiliser notre méthode pour écrire optiquement des circuits topologiques arbitraires et adaptables sur une puce", explique Smoleński. Cette approche pourrait ensuite être utilisée pour créer de minuscules interféromètres, avec lesquels des champs électromagnétiques extrêmement petits pourraient être mesurés.
