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Dans l’oxyde de cuivre, les magnons gardent leur énergie pendant des nanosecondes
Dans l’oxyde de cuivre, l’ordre magnétique est perturbé en quelques dizaines de femtosecondes, mais l’énergie des spins rejoint le réseau cristallin à l’échelle de la nanoseconde. Des mesures par rayons X résolues en temps et en impulsion, complétées par des simulations, ont permis de suivre ces étapes.
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Réponse de recherche
Points clés à retenir
- Dans l’oxyde de cuivre, l’ordre magnétique est perturbé en quelques dizaines de femtosecondes, mais l’énergie des spins rejoint le réseau cristallin à l’échelle de la nanoseconde.
- Des mesures par rayons X résolues en temps et en impulsion, complétées par des simulations, ont permis de suivre ces étapes.
- Le résultat pourrait aider à maîtriser la relaxation des spins, sans démontrer pour autant qu’un dispositif prêt à l’emploi ou des économies d’énergie sont à portée de main.
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Une impulsion laser peut perturber presque instantanément l’ordre magnétique d’un matériau. Pourtant, l’énergie des ondes de spin qu’elle produit peut mettre beaucoup plus longtemps à se transmettre au réseau cristallin. Dans une étude sur l’oxyde de cuivre, des chercheurs ont suivi cet échange entre excitations électroniques, magnétiques et vibrations du cristal grâce à des mesures de rayons X résolues en temps et en impulsion. Leurs résultats aident à comprendre pourquoi les magnons persistent, mais ne constituent pas la preuve d’une technologie déjà exploitable. 3
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De l’impulsion laser aux excitations de spin
Les chercheurs ont commencé par envoyer une brève impulsion optique sur l’oxyde de cuivre. Celle-ci excite les électrons et perturbe l’ordre magnétique du matériau, produisant des magnons : des excitations collectives des spins.
Les phénomènes se déroulent à des rythmes très différents. L’ordre magnétique est partiellement perturbé en environ 70 femtosecondes. Au cours des picosecondes qui suivent, les magnons se dispersent et redistribuent leur énergie. Le transfert de cette énergie vers les phonons — les vibrations du réseau cristallin — intervient à l’échelle de la nanoseconde. Le temps caractéristique de rétablissement de l’ordre magnétique est d’environ sept nanosecondes. 3
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Ces étapes ne décrivent pas le même phénomène. Une diminution de l’ordre magnétique ne signifie pas que l’énergie a déjà quitté le système de spins : les magnons peuvent perdre leur cohérence tout en conservant de l’énergie. Le résumé de l’étude indique lui aussi que les magnons participent au transfert d’énergie entre sous-systèmes couplés et souligne la hiérarchie de leurs dynamiques. 33
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Pourquoi un couplage fort ne suffit pas
Le délai est d’autant plus surprenant que l’oxyde de cuivre est connu pour les interactions fortes entre magnétisme et vibrations du réseau. Mais l’intensité d’une interaction ne détermine pas, à elle seule, la vitesse à laquelle l’énergie circule. Les voies de diffusion possibles dépendent aussi des conditions de conservation de l’énergie et de l’impulsion. 3
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Magnons et phonons n’ont pas les mêmes relations entre énergie et impulsion, appelées relations de dispersion. Si ces relations limitent les combinaisons d’états capables d’échanger de l’énergie tout en respectant les deux lois de conservation, la diffusion des magnons vers les phonons est entravée. Ce goulot d’étranglement cinématique pourrait expliquer pourquoi les magnons redistribuent d’abord leur énergie au sein du système de spins avant de la transmettre aux vibrations du cristal. 47
Comment les chercheurs ont suivi cette évolution
L’équipe a combiné une impulsion optique et des mesures de rayons X effectuées après différents délais : le laser déclenche la dynamique, puis les sondes X observent le matériau à plusieurs moments. Selon le résumé de l’article, les chercheurs ont associé la diffusion résonante diffuse résolue en temps à d’autres techniques de rayons X et à des simulations de dynamique quantique. 47
La diffusion diffuse renseigne sur les fluctuations magnétiques, au-delà du signal produit par la structure magnétique ordonnée. Associée aux mesures de l’ordre magnétique, elle aide à distinguer l’évolution de la population d’excitations de spins du rétablissement de l’état ordonné. L’Institut Paul Scherrer (PSI) présente ces travaux comme une manière de révéler les interactions entre excitations électroniques, magnétiques et du réseau grâce à une nouvelle technique au SwissFEL, le laser à électrons libres suisse. 3
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Une piste de recherche, pas encore une technologie
Les résultats laissent penser qu’il pourrait être possible de modifier la relaxation des spins en agissant sur les conditions du transfert d’énergie entre magnons et phonons, notamment sur leurs relations énergie-impulsion. C’est une piste pertinente pour les recherches sur de futures technologies de l’information fondées sur le spin, que le PSI cite parmi les raisons d’étudier la maîtrise des excitations de spin. 21
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Mais une population de magnons qui persiste longtemps ne constitue pas automatiquement un signal utilisable pour effectuer des opérations logiques. Le temps de rétablissement de l’ordre magnétique ne prouve pas, à lui seul, que chaque magnon reste cohérent pendant cette durée, ni qu’un matériau prêt à l’emploi, un dispositif logique fonctionnel ou une baisse de la consommation énergétique ont été obtenus. Ces résultats nécessiteraient des démonstrations distinctes au niveau des dispositifs. L’apport établi par l’étude est une description plus détaillée des transferts d’énergie dans un matériau magnétique excité. 21
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Quelle est la réponse courte à « Dans l’oxyde de cuivre, les magnons gardent leur énergie pendant des nanosecondes » ?
Dans l’oxyde de cuivre, l’ordre magnétique est perturbé en quelques dizaines de femtosecondes, mais l’énergie des spins rejoint le réseau cristallin à l’échelle de la nanoseconde.
Quels sont les points clés à valider en premier ?
Dans l’oxyde de cuivre, l’ordre magnétique est perturbé en quelques dizaines de femtosecondes, mais l’énergie des spins rejoint le réseau cristallin à l’échelle de la nanoseconde. Des mesures par rayons X résolues en temps et en impulsion, complétées par des simulations, ont permis de suivre ces étapes.
Que dois-je faire ensuite en pratique ?
Le résultat pourrait aider à maîtriser la relaxation des spins, sans démontrer pour autant qu’un dispositif prêt à l’emploi ou des économies d’énergie sont à portée de main.
Sources
psi.chRöntgenlicht deckt Wechselspiel von Quasiteilchen im Festkörper auf
arxiv.orgHierarchical quasiparticle dynamics in antiferromagnets revealed by time- and momentum-resolved X-ray scattering
eurekalert.orgRöntgenlicht deckt Wechselspiel von Quasiteilchen im Festkörper auf
scinexx.deSpinwellen geben ihre Energie überraschend langsam ab