Comprendre les mécanismes de renversement de l'aimantation induit par excitation laser – UMAMI

L’objectif scientifique de ce projet est de comprendre les mécanismes sous-jacents au phénomène de renversement de l’aimantation par excitation optique. L’approche proposée présente une série de nouveautés qui devraient conduire à une compréhension sans précédent de ce processus présentant un potentiel extraordinaire pour les futurs systèmes de stockage de l’information.
Premièrement, nous envisageons d’étudier ce phénomène sur une variété de nouveaux matériaux à base de métaux de transition (TM) et de terres rares (RE) qui ont été récemment développé à l’Université de Nancy et montrant un renversement de l’aimantation sous excitation optique. Notre attention se portera principalement sur les systèmes antiferromagnétiques artificiels composés d’une alternance de couches magnétiques et non-magnétiques. La force de cette approche réside dans la possibilité de contrôler entre autres, l’inhomogénéité spatiale et l’aimantation des différentes sous-couches ferromagnétiques, propriétés qui sont actuellement considérées comme déterminantes dans ce phénomène. Ces travaux seront complétés par l’étude d’alliages et de multicouches TM-RE qui présentent naturellement un couplage antiferromagnétique entre les couches TM et RE.
Deuxièmement, nous emploierons une nouvelle technique expérimentale basée sur l’utilisation d’une source X femtoseconde appelée « génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG) ». La courte longueur d’onde des rayons X permettra le suivi de l’évolution temporelle de l’aimantation à l’échelle de temps de la femtoseconde avec une résolution spatiale nanométrique. La sensibilité chimique des rayons X combinée au spectre multi-couleur des harmoniques donnera accès indépendamment et simultanément à l’évolution de l’aimantation de chaque sous-réseau magnétique. Ceci permettra d’observer sans ambiguïté, si elles existent, la séquence temporelle et l’interaction entre les différents sous-réseaux magnétiques. L’utilisation du dichroïsme des rayons X en absorption offrira la possibilité d’étudier de façon quantitative la dynamique des différents sous-réseaux. Ceci sera possible pour la première fois sur une source HHG grâce à notre récent développement d’une source HHG intense polarisée circulairement. Nous tenons à préciser que le moniteur à dispersion d’énergie proposé dans ce projet est crucial pour ce genre d’expérience car permettant d’atteindre un niveau de rapport signal/bruit encore jamais atteint avec des HHG.
Troisièmement, grâce au récent développement d’une source HHG quasi-accordée en phase dans un capillaire réalisé au LOA, nous pourrons atteindre les seuils N4,5 des terres rares donnant accès à l’évolution de leur aimantation portée principalement par les électrons localisés et fortement liés de la couche 4f.
Finalement, nous souhaitons préciser qu’en cas de nécessité, nous réaliserons aussi des expériences sur laser à électrons libres X. Une motivation possible consiste à explorer des conditions de pompage plus extrêmes ou une dynamique stochastique qui sont observables uniquement sur des expériences où les images sont acquises en mono-coup. De plus, un nouveau système de séparation et recombinaison de faisceau X pourrait être utilisé pour réaliser des expériences pompe-sonde avec des résolutions temporelles de quelques femtosecondes encore jamais atteintes.
Nous nous attendons à ce que ce programme impliquant de nouvelles techniques expérimentales et des structures d’échantillons originales aboutisse à une nouvelle vision des phénomènes sous-jacents au renversement d'aimantation induit par excitation laser et plus généralement au phénomène de désaimantation ultra-rapide. À plus long terme, cette nouvelle compréhension nous guidera dans le développement de matériaux optimisés pour les applications du renversement d'aimantation tout optique.