Dichroisme hélicoïdal de structures magnétiques – HELIMAG

Depuis peu, la génération d’harmoniques d’ordre élevé (GHOE) offre des sources lumineuses délivrant des impulsions de durée femtoseconde (fs) ou attoseconde (as), portant un moment angulaire de spin (MAS) ou orbital (MAO). Les premières sont associées à une polarisation circulaire et portent des moments angulaires (MA) unitaires. Les secondes présentent des fronts d’onde dont l’inclinaison tourne en hélice autour de l’axe de propagation, et portent n’importe quelle valeur entière d’unité de MA. Ces sources peuvent aujourd’hui être structurées spatialement et en polarisation à l’échelle du cycle optique. Alors que le MAS a été largement utilisé pour sonder et contrôler des échantillons magnétiques, le MAO reste largement ignoré dans ce contexte.
En parallèle, la spintronique, technologie qui utilise tant le spin que la charge de l’électron, se développe rapidement, permettant d’envisager des composants électroniques de consommation réduite et de vitesse accrue. Cependant, la physique qui y est associée reste imparfaitement comprise, en particulier aux échelles de temps ultra brèves (fs et as) et aux petites dimensions transverses (micromètre et nm). Dans ce contexte, deux types de structures sont particulièrement intéressantes. i) les vortex magnétiques (VM) et ii) les dispositifs à commutation toute optique (DCO) dont l'aimantation se contrôle avec des impulsions laser fs.
Nous avons récemment prédit et observé l’existence d’un dichroïsme spécifique des structures magnétiques, appelé Dichroïsme Helicoïdal Magnétique (DHM). Il se manifeste par un changement du profil d’intensité lumineuse d’un faisceau portant un MAO, après réflexion sur une structure magnétique. Ce changement, dont l’observation ne requiert pas de mesure polarimétrique, dépend de la valeur absolue et du signe du MAO, et, dans le cas de VM, de leur chiralité et polarisation. Le DHM est donc potentiellement un mode d’étude très puissant pour des structures magnétiques d’intérêt pour la spintronique.
HELIMAG aura trois objectifs. Par le développement de la théorie et des mesures optimisées, nous établirons le DHM comme une méthode de choix pour l’étude des structures magnétiques. Deuxièmement, nous étudierons théoriquement et expérimentalement le contrôle des DCO par des faisceaux portant un MAO par un dichroisme helicoidal inverse (DHI) et quantifierons le bénéfice apporté par des valeurs non limitées du MAO ainsi que par la possibilité de structurer le champ. Troisièmement, nous suivrons et contrôlerons des dynamiques de spin ultrarapides en combinant initiation des dynamiques par DHI, et diagnostique par DHM.
Pour atteindre ces objectifs, l’INSP et SPINTEC synthétiseront plusieurs types d’échantillons : couches magnétiques simples et leurs alliages en forme de vortex ou non, multicouches, réseaux de skyrmions, antivortex, multicouches epitaxiées présentant une modulation de magnétisation… Les sources lumineuses du LIDYL portant MAO et/ou MAS seront focalisées sur ces structures au moyen d’optiques spécifiques conçues à SOLEIL et réalisées avec le LCF. Dans une deuxième phase, sur des échantillons homogènes, nous concevrons par des méthodes automatiques des champs lumineux structurés amplifiant ou orientant le transfert de MA aux structures magnétiques. Finalement, nous utiliserons ces méthodes pour contrôler et suivre le transfert de MA vers des structures magnétiques. Les prévisions théoriques correspondantes seront développées au LIDYL pour la partie optique, à Spintec pour le micromagnétisme.
Helimag aura une portée fondamentale, établissant une nouvelle technique d’analyse et de contrôle d’échantillons magnétiques, en régimes statique et dynamique. Le contexte de la spintronique lui donne une portée sociétale importante. Bien qu’ambitieux, Helimag coordonne les efforts d’un consortium présentant des compétences complémentaires uniques permettant de maintenir le risque à un niveau raisonnable.