Vous regardez les Chennai Super Kings affronter les Mumbai Indians au Wankhede. Les tribunes sont pleines et l’ambiance est électrique. Dans l’excitation, un groupe de personnes dans l’une des tribunes lance un signe de la main mexicaine. Tout le monde est impatient de participer. Au bon moment, des centaines de personnes se lèvent et s’assoient à l’unisson, donnant à ce signe une expression pleine et fervente.
L’onde mexicaine est un type d’onde qui semble se propager à travers un milieu lorsque les constituants du milieu sont séquentiellement déplacés et restaurés à leurs positions d’origine.
De la même manière, imaginons un courant de spin.
Un flux de spin
Autrement dit, lorsqu’un courant de spin traverse un matériau, cela implique qu’une onde mexicaine d’un état de spin particulier se déplace à travers le matériau. Les électrons eux-mêmes ne sont cependant pas déplacés.
Les scientifiques s’intéressent aux courants de spin parce que les électrons en haut et vers le bas Les états de spin peuvent représenter des 0 et des 1, pour stocker et récupérer des données sur le disque dur d’un ordinateur. Les entraînements spintroniques du futur sont attendus pour pouvoir stocker plus de données que les lecteurs existants, manipuler les données plus rapidement et consommer moins d’énergie.
Dans une étude publiée dans la revue Lettres d’examen physique Le 6 septembre, une équipe internationale de chercheurs a signalé une avancée importante sur ce front.
« Un chiffre de mérite crucial »
La spintronique est une branche de la physique qui s’intéresse à l’étude et à la manipulation des propriétés magnétiques des électrons. Les disques durs magnétiques des ordinateurs tirent déjà parti de la spintronique. Chaque disque est constitué d’un disque magnétique très fin qui utilise un effet appelé magnétorésistance géante pour stocker et lire rapidement les données codées dans le en hautsable vers le bass de ses électrons.
Ces états de rotation sont modifiés en appliquant un champ magnétique sur de petites parties du disque. Plus le champ est fort, plus les états changent rapidement et plus la vitesse de lecture/écriture du disque est rapide. L’intensité du champ a augmenté dans les années 1990 et 2000, à mesure que les ordinateurs devenaient monnaie courante dans la vie quotidienne. Aujourd’hui, les vitesses des disques ont atteint leur maximum : les nouveaux produits n’améliorent que marginalement la vitesse de lecture/écriture.
Au-delà de 1 000 fois mieux
Les chercheurs sont actuellement explorer les voies pour produire directement des courants de spin. Dans un schéma existant, ils tirent des lasers sur un matériau, délivrant de l’énergie à ses électrons et les faisant se déplacer. Ensuite, ils appliquent un champ magnétique à travers le matériau de sorte que les spins de certains électrons soient parallèles au champ et que les spins d’autres électrons soient antiparallèles. Enfin, ils font interagir les électrons avec des impuretés dans le matériau qui dispersent les électrons avec en haut et vers le bas tourne à des vitesses différentes, ne laissant finalement derrière eux que des électrons d’un seul état de spin.
UN Étude 2014 Des chercheurs de l’Université de technologie d’Eindhoven, aux Pays-Bas, ont mis au point un autre système. Ils ont superposé trois couches de matériaux soigneusement choisis. Lorsqu’ils ont magnétisé la couche supérieure et tiré un laser ultrarapide sur la couche inférieure, la magnétisation de la couche intermédiaire a changé d’une manière qui a induit des courants de spin dans la couche supérieure.
Ces schémas et d’autres ont produit des courants de spin de l’ordre de quelques centaines de femtosecondes (1 fs = 10-15 s). L’auteur principal de l’étude de 2014, Sjors Schellekens, a déclaré dans un communiqué de presse Cette échelle de temps représentait une amélioration « d’un facteur 1 000 » par rapport aux autres technologies de l’époque. Schellekens a également déclaré que l’équipe était en mesure d’expliquer comment les courants de spin apparaissaient dans le matériau, ce qui est important pour garantir la fiabilité de la technique et qu’il n’y ait rien dans les données qui ressemble simplement à un courant de spin.
Bientôt, les scientifiques ont commencé à anticiper des technologies encore plus rapides.
Par exemple, dans Janvier 2020, Progrès scientifiques Les chercheurs allemands, suédois et américains ont publié un article dans lequel ils ont indiqué avoir utilisé un alliage Heusler pour démontrer le transfert de spin d’un atome à un autre. Les alliages Heusler sont des composés de certains éléments qui présentent de nombreuses propriétés intéressantes en spintronique. Ils ont estimé que leurs découvertes ouvriraient la voie « à des dispositifs spintroniques capables de fonctionner à des échelles de temps de quelques femtosecondes ou plus rapides ».
« Fréquences d’horloge en pétahertz »
Dans l’étude du 6 septembre, les chercheurs ont pu utiliser un nouveau concept pour produire des courants de spin en 2 fs.
Les physiciens de l’Institut Max Planck de physique des microstructures, en Allemagne, ont décrit ce concept dans un Article de 2018 dans Lettres Nano et l’a encore étoffé dans travaux ultérieurs. Ce procédé s’appuyait sur un mécanisme appelé transfert de spin optique intersite (OISTR). Dans ce cas, la lumière de fréquences spécifiques pouvait rapidement manipuler le moment angulaire des électrons dans un matériau sans avoir recours à des effets indirects.
Si cela semble simple, déduire ce mécanisme n’est pas chose aisée. La raison en est la lumière elle-même. Sous sa forme ondulatoire, elle est constituée d’un champ électrique et d’un champ magnétique oscillant perpendiculairement l’un à l’autre. Lorsqu’une onde électromagnétique interagit avec la matière, les propriétés électroniques du matériau réagissent presque immédiatement au champ électrique oscillant. Transposer l’énergie de l’onde au spin des électrons est cependant plus long, car il s’agit d’un processus intermédiaire.
Pendant un certain temps, les scientifiques ont cherché des preuves d’un lien entre les changements de spin des électrons et une onde lumineuse incidente. Étude 2019 dans Natureles chercheurs — dont de nombreux ont participé à l’étude de 2018 — ont trouvé une solution. Ils ont proposé d’utiliser un empilement de couches de matériaux ferromagnétiques comme le cobalt et le nickel. Ici, écrivent-ils, « les excitations optiques entraînent le déplacement local des porteurs de charge entre différentes espèces atomiques ou à travers les interfaces de couches ». Le résultat est l’OISTR, car une « onde électronique délogée spatialement emporte son spin » de son atome « résident » vers un autre atome proche.
Il est important de noter qu’ils ont pu suivre les changements subatomiques dans la pile à l’aide d’un « schéma de détection » sur mesure au niveau des millièmes de femtosecondes. Leurs découvertes, ils ont écrit« ouvre la voie à des applications spintroniques cohérentes avec des fréquences d’horloge pétahertz ».
Coup double
Les chercheurs de l’étude du 6 septembre ont conçu un matériau composé de 20 couches alternées de cobalt et de platine. Chaque couche avait moins d’un nm d’épaisseur. « Ce type de structure est omniprésent dans la recherche spintronique, en particulier pour obtenir des effets de magnétorésistance géants », ont-ils écrit. Pour leur étude, ont-ils ajouté, l’empilement de couches offrait deux avantages : il maximise « les effets magnéto-optiques avec une lumière normalement incidente » et « multiplie le nombre d’interfaces Co/Pt, de sorte que l’injection de potentiel qui s’y produit devient plus mesurable ».
Ils ont appliqué un champ magnétique perpendiculaire à la pile pour forcer les électrons à se stabiliser dans un arrangement ordonné de spins.
Les chercheurs ont d’abord envoyé une impulsion de lumière polarisée linéairement d’une durée de seulement 4 fs dans le matériau. (Lorsque l’oscillation du champ électrique dans l’onde lumineuse est confinée à un plan fixe, la lumière est polarisée linéairement.) Ce tir a excité les électrons et a mis leurs états de spin en émoi.
Juste après, ils ont émis une autre impulsion de lumière polarisée circulairement (lorsque le champ électromagnétique tourne autour de la direction du mouvement de la lumière). La façon dont cette lumière a été absorbée lors de son passage à travers le matériau a indiqué aux chercheurs à quel point les spins des électrons étaient bien ordonnés après le premier tir laser.
Preuve de concept
L’absorption de la lumière polarisée circulairement a indiqué aux chercheurs que dans les couches de cobalt, les spins des électrons étaient devenus environ 10 % moins ordonnés alors qu’ils étaient devenus légèrement plus ordonnés dans les couches de platine – tous deux en seulement 2 fs après le passage de la lumière polarisée linéairement.
L’équipe a développé un modèle mathématique pour expliquer ces résultats en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité, qui permet aux physiciens de prédire les propriétés d’un matériau en se basant sur certaines propriétés quantiques fondamentales. Ces calculs nécessitent beaucoup de calculs. Les chercheurs ont formulé quelques hypothèses pour simplifier leur modèle, et cette version a montré que leurs résultats pourraient s’expliquer si un faible courant de spin était passé des couches de cobalt aux couches de platine dans cet intervalle de 2 fs. Ainsi, l’équipe a signalé un nouveau record pour l’échelle de temps à laquelle un système pourrait produire des courants de spin.
Il s’agit d’une preuve de concept, un exploit qui prouve qu’il est possible pour des lasers ultrarapides d’induire directement des courants de spin en quelques femtosecondes dans un matériau spécifique. Les chercheurs ont dit qu’ils prévoient ensuite de tester si les impulsions laser femtosecondes peuvent produire des courants de spin utiles dans un dispositif spintronique fonctionnel et si elles peuvent produire des courants de spin en quelques attosecondes, c’est-à-dire mille fois plus vite.
Publié – 13 septembre 2024 à 09h19 IST
2024-09-13 06:51:45
1726209159
#Les #lasers #ultrarapides #ouvrent #raccourci #vers #les #disques #durs #futur
