Les nanostructures magnétiques sont essentielles pour le stockage de données (MRAM, disque dur de haute densité) ou encore au sein de capteurs et actionneurs magnétiques. Pour sonder ce magnétisme local, le dichroïsme circulaire magnétique (MCD) et l'effet Kerr magnétique (MOKE) reposent tous deux sur l'absorption différentielle de la lumière selon le sens de sa polarisation circulaire (associée à des photons d'orientation de spin opposée). Cependant, la connaissance fine de leurs dynamiques à l'échelle de la femtoseconde reste encore largement à explorer.
La lumière peut aussi porter un second type de moment angulaire, dit « orbital », associé à des ondes électromagnétiques dont le front d'onde est hélicoïdal. Il a été montré qu'un dichroïsme hélicoïdal magnétique existe (réflexion différentielle de lumière portant des moments angulaires orbitaux opposés) et présente de multiples avantages. Cette méthode peut en particulier devenir une méthode de choix pour les études résolues en temps de structures magnétiques telles que les skyrmions ou les vortex magnétiques, dont la taille caractéristique (~1 µm) correspond à celle du front d'onde en hélice.
La magnéto-optique est un outil de choix pour l’étude du magnétisme avec aujourd'hui une gamme étendue de longueurs d'onde d'observation (du teraHz au XUV) et des mesures de dynamique à l’échelle femtoseconde. L’ensemble de ces mesures reposent sur le couplage entre la polarisation circulaire (ou moment angulaire de spin – MAS) de la lumière et le magnétisme. Cependant, la lumière peut également porter un autre type de moment angulaire, le moment angulaire orbital (MAO). Les faisceaux portant un tel MAO présentent un front d’onde en hélice, où le nombre d’hélices imbriquées détermine la valeur entière ℓ du MAO, et leur sens de rotation détermine son signe. Comme la lumière polarisée circulairement peut être gauche ou droite, la lumière portant un MAO peut se présenter sous deux formes images miroirs.
Le dichroïsme hélicoïdal magnétique, qui résulte de la différence d'interaction de faisceaux porteurs d'un MAO gauche et droite avec des surfaces magnétiques, n'a été révélé que très récemment en 2019 [1]. L'effet s’appuie sur la présence d’un champ magnétique au centre du faisceau porteur de MAO, qui interagit avec le moment magnétique porté par la structure sondée. La même année, Fanciulli et collaborateurs ont prédit un autre effet dépendant du MAO, direct cette fois, devant apparaitre en réflexion sur les structures magnétiques en vortex (voir figure). [2].
Une collaboration réunissant des chercheurs de huit institutions vient de mettre en évidence cet effet. L'échantillon magnétique en permalloy présente une magnétisation en forme de vortex dont le sens de rotation est fixé par le sens du champ magnétique lors de la magnétisation initiale de la couche. Il est placé au foyer du dispositif expérimental DIPROI, recevant le faisceau du laser XUV à électrons libres FERMI (Elettra) à Trieste en Italie. La durée d'impulsion laser est de l'ordre de quelques dizaines de femtosecondes et le faisceau réfléchi forme une image en champ lointain qui présente une dissymétrie chirale, signature de la présence des vortex polarisés. Le sens de l'image (droite ou gauche) est fonction du sens des vortex et de celui du MAO (voir figure). Une théorie classique, basée sur l’utilisation des coefficients de réflexion magnéto-optique permet de reproduire ces résultats.
A gauche, en haut : lame de Fresnel en spirale, permettant de conférer un moment angulaire orbital au faisceau du laser à électrons libres FERMI (Elettra-Sincrotrone Trieste S.C.p.A.). En dessous : interférence du faisceau porteur de MAO avec un faisceau de référence (sans MAO). La figure en spirale est une signature du MAO du faisceau.
A droite : imantation rémanente des vortex magnétique S1 ou S2, dont le sens de rotation est fonction de l'orientation de l'impulsion initiale de champ magnétique saturant externe appliquée.
Cette observation ouvre une nouvelle voie de caractérisation magnéto-optique des nanostructures magnétiques, mais pose aussi de nombreuses questions :
- Quel est l'origine du couplage entre le MAO de la lumière et la magnétisation macroscopique ? Peut-il induire des transitions magnétiques ?
- Une imagerie sans balayage, ni inversion de polarisation est-elle réalisable ?
- Peut-on explorer la dynamique de l'aimantation par cette technique ? Et avec quelle résolution temporelle ?
auxquelles le laboratoire LIDYL tente de répondre grâce à la plateforme ATTOLab. Pour ceci, un dispositif spécifique est en phase de construction grâce au soutien de l’ANR (Projet HELIMAG) et du Labex PALM (Projet AttoFoam), qui bénéficiera de l’expérience des équipes pour la synthèse de faisceaux ultrabrefs portant un MAO dans l’XUV [4-5].
Références :
[1] “Terahertz vortex beam as a spectroscopic probe of magnetic excitations”,
A. Sirenko, P. Marsik, C. Bernhard, T. Stanislavchuk, V. Kiryukhin, and S.-W. Cheong, Physical Review Letters, 122 (2019) 237401.
[2] “Electromagnetic theory of helicoidal dichroism in reflection from magnetic structures”,
M. Fanciulli, D. Bresteau, M. Vimal, M. Luttmann, M. Sacchi, and T. Ruchon, Physical Review A, 103 (1) (2021) 013501.
[3] “Observation of magnetic helicoidal dichroism with extreme ultraviolet light vortices”,
M. Fanciulli, M. Pancaldi, E. Pedersoli, M. Vimal, D. Bresteau, M. Luttmann, D. De Angelis, P. R. Ribič, B. Rösner, C. David, C. Spezzani, M. Manfredda, R. Sousa, I.-L. Prejbeanu, L. Vila, B. Dieny, G. De Ninno, F. Capotondi, M. Sacchi, and T. Ruchon, Physical Review Letters, 128 (2022) 077401.
[4] “Synthesis and characterization of attosecond light vortices in the extreme ultraviolet”,
R. Géneaux, A. Camper, T. Auguste, O. Gobert, J. Caillat, R. Taïeb & T. Ruchon, Nature Communications, 7 (2016) 12583.
[5] « Tunable orbital angular momentum in high-harmonic generation »,
D. Gauthier, P.R. Ribič, G. Adhikary, A. Camper, C. Chappuis, R. Cucini, L.F. DiMauro, G. Dovillaire, F. Frassetto, R Géneaux, P. Miotti, L. Poletto, B. Ressel, C. Spezzani, M. Stupar, T. Ruchon and G.D. Ninno, Nature Communications 8 (2017) 14971.
Contact CEA-IRAMIS : Thierry Ruchon, Groupe Attophysique, CEA-LIDYL
Collaboration :
- LIDYL CEA- Iramis, Saclay
- Spintec, CEA-IRIG, Grenoble
- Laboratoire de Physique des Matériaux et Surfaces, CY Cergy Paris Université,
- FERMI Elettra-Sincrotrone,
- Paul Scherrer Institut,
- Laboratory of Quantum Optics, University of Nova Gorica,
- Institut des NanoSciences de Paris – INSP, Sorbonne Université,
- Synchrotron SOLEIL
Projet ANR HELIMAG (2022-2027) : Lidyl – Spintec – Synchrotron Soleil – INP – IOGS.
Projet Labex PALM AttoFoam – « Attosecond focused beams carrying orbital angular momentum ».