Les atomes tournent et retournent l'aimant

Original: "Generalized Helicity-Dependent Magnetization Switching via Substrate Phonons"

· F. G. N. Fennema, H. Damas, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto, C. S. Davies, A. Kirilyuk

arXiv:2609.05064v1 · 2026-09-04 · CC BY 4.0 · 1 min

Les vibrations circulaires des atomes dans le substrat basculent l'aimantation du film, mais une forte absorption de la lumière gêne ce phénomène à cause de l'échauffement.

Les atomes d'un cristal vibrent en permanence. Si on les force à se déplacer en cercle, ils peuvent transmettre leur rotation à la couche magnétique déposée au-dessus et inverser son aimantation. Auparavant, cette astuce n'avait été démontrée que sur deux matériaux. Aujourd'hui, des physiciens l'ont testée sur sept cristaux différents pour comprendre à quel point elle est universelle.

Pour l'expérience, ils ont utilisé un film mince d'alliage gadolinium-fer-cobalt et un laser infrarouge capable de faire tourner la lumière. Après irradiation, l'état magnétique était vérifié par la façon dont il fait pivoter la polarisation de la lumière. L'efficacité du basculement sur les différents substrats s'est révélée très variable : de 30 % à 95 %.

Le plus intéressant : le basculement ne coïncidait pas avec l'endroit où le cristal absorbe le plus la lumière. Sur l'oxyde de magnésium, le meilleur résultat a été obtenu à une longueur d'onde de 20,8 micromètres, alors que la résonance d'absorption se situe autour de 25 micromètres. Les calculs ont montré que près de la résonance, presque toute l'énergie se dépose dans les 200 premiers nanomètres du substrat, tout près de l'interface avec la couche magnétique. Cet échauffement local semble être ce qui entrave le basculement. Il faut donc trouver un équilibre : la lumière doit exciter les atomes, mais sans surchauffer l'interface.

Les champs magnétiques efficaces créés par les phonons polarisés circulairement peuvent dépasser plusieurs dizaines de teslas, ce qui est comparable aux champs des aimants pulsés les plus puissants.

\omega_{LO}^2 - \omega_{TO}^2 = \frac{n e^2 Z^{*2}}{\varepsilon_0 \varepsilon_\infty \mu}

La différence des carrés des fréquences des phonons optiques longitudinal et transverse est proportionnelle au carré de la charge effective de Born et inversement proportionnelle à la masse réduite des ions. Un plus grand dédoublement signifie un couplage plus fort du phonon avec la polarisation macroscopique.

M = \sum_i \gamma_i L_i, \quad \gamma_i = \frac{e Z_i^*}{2 M_i}, \quad L_i = \sum_{\alpha,\beta} Q_{i,\alpha} \times \dot{Q}_{i,\beta}

Le moment magnétique du phonon est la somme des contributions des ions, chacune étant déterminée par le rapport gyromagnétique (dépendant de la charge effective et de la masse) et le moment angulaire du mouvement circulaire des ions.

Notions

magnétisme des phonons

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