Une équipe de recherche a découvert que des impulsions laser ultracourtes peuvent magnétiser les alliages de fer, une découverte qui présente un énorme potentiel pour des applications dans la technologie des capteurs magnétiques, le stockage de données et la spintronique. Pour magnétiser un clou en fer, il suffit de tapoter plusieurs fois un aimant sur sa surface. Il existe cependant une approche plus inhabituelle : une équipe dirigée par le Helmholtz Zentrum Dresden Rosendorf (HZDR) a récemment découvert qu'un certain alliage de fer pouvait être magnétisé avec des impulsions laser ultracourtes.
Les chercheurs se sont désormais associés au Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) pour approfondir l'étude de ce processus. Ils ont constaté que ce phénomène se produit également avec différentes classes de matériaux, ce qui élargit considérablement les applications potentielles. Le groupe de travail a publié ses conclusions dans la revue scientifique Advanced Functional Materials.
Cette découverte inattendue a été faite en 2018. Lorsque l’équipe HZDR a illuminé de fines couches d’alliage fer-aluminium avec des impulsions laser ultracourtes, le matériau non magnétique est soudainement devenu magnétique. Le principe est que les impulsions laser réorganisent les atomes dans le cristal, rapprochant les atomes de fer, créant ainsi un aimant. Les chercheurs ont ensuite pu démagnétiser à nouveau la couche avec une série d’impulsions laser plus faibles. Cela leur a permis de découvrir un moyen de créer et d’effacer de minuscules « points magnétiques » sur les surfaces.
Cependant, l’expérience pilote laisse encore quelques questions sans réponse. Le physicien du HZDR, le Dr Rantej Bali, explique : "Il n'est pas encore clair si cet effet se produit uniquement dans les alliages fer-aluminium ou également dans d'autres matériaux. Nous voulions également essayer de suivre la progression temporelle de ce processus."
Pour approfondir ses recherches, il a collaboré avec le Dr Theo Pflug du LHM et ses collègues de l'Université de Saragosse en Espagne.
Les experts accordent une attention particulière aux alliages fer-vanadium. Contrairement aux alliages fer-aluminium à réseau cristallin régulier, la disposition atomique des alliages fer-vanadium est plus chaotique, formant une structure amorphe semblable à du verre. Pour voir ce qui se passe lorsque la lumière laser les éclaire, les physiciens utilisent une méthode spéciale : la méthode pompe-sonde.
"Nous irradions d'abord l'alliage avec des impulsions laser intenses, qui magnétisent le matériau", explique Theo Pflug. "En même temps, nous utilisons une seconde impulsion, plus faible, qui se reflète sur la surface du matériau."
L'analyse des impulsions laser réfléchies fournit une indication des propriétés physiques du matériau. Ce processus est répété plusieurs fois, de sorte que l'intervalle de temps entre la première impulsion de « pompe » et l'impulsion de « sonde » suivante est continuellement allongé.
En conséquence, les chercheurs ont obtenu des séries chronologiques de données de réflexion, qui ont permis de caractériser les processus déclenchés par l’excitation laser. "L'ensemble du processus est similaire à la création d'un livre qui tourne les pages", a déclaré Pflug. "De même, une série d'images individuelles s'anime lorsqu'elles sont visualisées en succession rapide."
Bien que la structure atomique des alliages fer-vanadium soit différente de celle des composés fer-aluminium, les alliages fer-vanadium peuvent également être magnétisés par laser. "Dans les deux cas, le matériau fond brièvement au point d'irradiation", explique Rantej Bali. "Cela amène le laser à effacer la structure précédente, créant ainsi une petite région magnétique dans les deux alliages."
Le résultat encourageant est que ce phénomène ne se limite pas à une structure matérielle spécifique, mais peut être observé dans différents arrangements atomiques.
L'équipe suit également la dynamique temporelle du processus : "Au moins, nous savons maintenant à quelle échelle de temps quelque chose se produit. En quelques femtosecondes, une impulsion laser excite les électrons dans le matériau. Après quelques picosecondes, les électrons excités transfèrent de l'énergie au noyau."
Ce transfert d'énergie se traduit donc par un réarrangement en une structure magnétique, qui est stabilisée par un refroidissement rapide ultérieur. Dans des expériences de suivi, les chercheurs visent à observer exactement comment les atomes se réorganisent en examinant le processus de magnétisation à l'aide de rayons X intenses.
Bien qu'ils n'en soient qu'à leurs débuts, les travaux fournissent déjà de premières idées d'applications possibles : par exemple, il est envisageable de placer de minuscules aimants sur la surface d'une puce via un laser. Rantej Bali a spéculé : "Cela pourrait être utile pour produire des capteurs magnétiques sensibles, tels que ceux utilisés dans les véhicules. Cela pourrait également trouver des applications possibles dans le stockage de données magnétiques."
De plus, ce phénomène semble être lié à un nouveau type d’électronique appelé spintronique. Ici, les signaux magnétiques devraient être utilisés dans les processus informatiques numériques, plutôt que les électrons passant à travers des transistors comme d'habitude – offrant ainsi une approche possible pour la future technologie informatique.
Source compilée : ScitechDaily