Les expériences et les modèles de la dynamique de spin ultra-rapide

Deux approches sont possibles pour augmenter la densité (enregistrement par impulsion magnétique et spintronique), chacune nécessitant la manipulation ultra-rapide des vecteurs d'informations. Un groupe de partenaires mène déjà des analyses uniques en leur genre dans le cadre du projet FEMTOSPIN («Multiscale modelling of femtosecond spin dynamics»), dans l'objectif de mieux comprendre ces processus.

Dernièrement, la manipulation et la magnétisation du spin optique se sont montrées plus rapides que les approches conventionnelles reposant sur des champs magnétiques induits par courant. Des modèles sur plusieurs échelles de temps sont nécessaires pour permettre le développement d'appareils connexes. Pour accéder à l'échelle de temps des photons, électrons et interactions de spin, il faut faire appel à la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) dépendant du temps. Par ailleurs, pour comparer les résultats des modèles aux données empiriques, des modèles mésoscopiques sont nécessaires.

FEMTOSPIN transmet les données de la DFT à l'approche mésoscopique grâce à des modèles atomistiques. Les expériences ont permis d'affiner les modèles et apporté de nouvelles réponses.

Les calculs sur la structure électronique par DFT fournissent à présent des informations sur les mécanismes et les propriétés de la magnétisation ultra-rapide sous-jacente. Plus particulièrement, les modèles lèvent le voile sur le rôle du transport de spin dans l'évolution de la magnétisation suite à l'application d'une impulsion laser. Les calculs sur la structure électronique sont ensuite mathématiquement liés aux modèles atomistiques classiques. Ces éléments alimentent les modèles macrospins à grande échelle étroitement liés aux expériences.

Les modèles ont permis de mieux comprendre de nombreux phénomènes connexes. Les partenaires ont constaté une inversion du magnétisme induit par la chaleur (inversion due à une impulsion thermique sans application de champ magnétique) avant le début du projet, ce qui a éveillé l'intérêt de la communauté scientifique mondiale. L'équipe a à présent compris l'origine de ce phénomène. Par ailleurs, les modèles montrent que cette inversion se produit dans les ferro-aimants de synthèse composés de deux couches ferromagnétiques couplées par antiferromagnétisme. Les essais sont en cours.

Le projet FEMTOSPIN met en place des modèles multi-échelle du phénomène de magnétisation extrêmement importants, qui sont d'ailleurs validés par des essais avancés. Une meilleure compréhension de l'organisation des matériaux en fonction des spins ainsi que la mise en place d'outils de modélisation avancés mèneront à une nouvelle génération de systèmes magnétiques ultra-rapides pour le stockage et le traitement de l'information.