Diffusion magnétique ultrarapide sur des ferrimagnets grâce à une source de rayons X mous à base d’Yb, qui a fait la couverture d’Optica. Crédit : Ella Maru Studio
Des chercheurs de l’INRS et des partenaires internationaux ont réussi à observer le spin à l’intérieur de matériaux de terres rares, en utilisant un microscope ultra-rapide à rayons X mous de table, pour la première fois.
Des réseaux complexes de systèmes sont nécessaires pour partager des informations en temps réel. La commutation de la magnétisation, ou du spin des électrons, des matériaux magnétiques à l’aide d’impulsions laser femtosecondes ultrabrèves est une stratégie prometteuse pour accélérer les dispositifs de stockage de données. Cependant, la façon dont le spin évolue dans le nanomonde sur des échelles de temps extrêmement courtes, comme un millionième de milliardième de seconde, est restée largement mystérieuse. En collaboration avec la TU Wien, en Autriche, l’installation nationale française de synchrotron (SOLEIL) et d’autres partenaires internationaux, l’équipe du professeur François Légaré à l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) a fait une percée importante dans ce domaine. Le 6 avril 2022, leur étude a été publiée dans la revue Optica.
Jusqu’à présent, les études sur le sujet ont été fortement tributaires des grandes installations à rayons X à accès limité, comme les lasers à électrons libres et les synchrotrons. L’équipe démontre, pour la première fois, un microscope à rayons X doux ultrarapide de table pour résoudre spatio-temporellement la dynamique de spin à l’intérieur des matériaux de terre rare, qui sont prometteurs pour les dispositifs spintroniques.
Cette nouvelle source de rayons X mous basée sur un laser Ytterbium à haute énergie représente une avancée significative dans l’étude des futurs dispositifs spintroniques à haute vitesse et à faible consommation d’énergie et pourrait être utilisée pour de nombreuses applications en physique, biologie et chimie.
“Notre approche fournit une solution élégante, robuste, rentable et évolutive sur le plan énergétique pour de nombreux laboratoires. Elle permet d’étudier la dynamique ultrarapide dans des structures à l’échelle nanométrique et mésoéchelle avec des résolutions spatiales de l’ordre du nanomètre et temporelles de l’ordre de la femtoseconde, ainsi qu’avec la spécificité des éléments”, déclare le professeur Andrius Baltuska, de la TU Wien.
Des impulsions lumineuses de rayons X pour observer le spin
Grâce à cette source lumineuse de photons de rayons X, une série d’images instantanées des structures magnétiques de terres rares à l’échelle nanométrique a été enregistrée. Elles exposent clairement le processus de démagnétisation rapide, et les résultats fournissent des informations riches sur les propriétés magnétiques qui sont aussi précises que celles obtenues à l’aide d’installations à rayons X à grande échelle.
“Le développement de sources de rayons X ultrarapides de table est passionnant pour les applications technologiques de pointe et les domaines scientifiques modernes. Nous sommes ravis de nos résultats, qui pourraient être utiles pour les recherches futures en spintronique, ainsi que dans d’autres domaines potentiels “, déclare le chercheur postdoctoral de l’INRS, le Dr Guangyu Fan.
” Les systèmes de terres rares sont en vogue dans la communauté en raison de leur taille nanométrique, de leur rapidité et de leur stabilité topologiquement protégée. La source de rayons X est très attrayante pour de nombreuses études sur les futurs dispositifs spintroniques composés de terres rares”, explique Nicolas Jaouen, chercheur principal à l’installation nationale française de synchrotron.
Le professeur Légaré insiste sur la collaboration entre experts pour le développement de sources de lumière de pointe et la dynamique ultrarapide dans les matériaux magnétiques à l’échelle nanométrique. “Compte tenu de l’émergence rapide de la technologie des lasers Ytterbium de haute puissance, ce travail représente un énorme potentiel pour les sources de rayons X mous de haute performance. Cette nouvelle génération de lasers, qui sera bientôt disponible à l’Advanced Laser Light Source (ALLS), aura de nombreuses applications futures dans les domaines de la physique, de la chimie et même de la biologie”, ajoute-t-il.
Référence : ” Ultrafast magnetic scattering on ferrimagnets enabled by a bright Yb-based soft x-ray source ” par G. Fan, K. Légaré, V. Cardin, X. Xie, R. Safaei, E. Kaksis, G. Andriukaitis, A. Pugžlys, B. E. Schmidt, J. P. Wolf, M. Hehn, G. Malinowski, B. Vodungbo, E. Jal, J. Lüning, N. Jaouen, G. Giovannetti, F. Calegari, Z. Tao, A. Baltuška, F. Légaré et T. Balčiūnas, 6 avril 2022, Optica.
DOI : 10.1364/OPTICA.443440
L’étude a reçu le soutien financier du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, du Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT) et de PRIMA Québec, entre autres. Le laboratoire ALLS bénéficie également d’un investissement de la Fondation canadienne pour l’innovation (FCI).
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