Des courants de spin ultrarapides déclenchent la dynamique des antiferromagnétiques térahertz

Des chercheurs du Service de Physique de l’État Condensé (SPEC), en collaboration avec le Laboratoire Albert Fert (CNRS-Thales), le Laboratoire SPMS (CentraleSupélec-CNRS), démontrent pour la première fois qu’un courant de spin ultrarapide peut transférer efficacement son moment angulaire vers un antiferromagnétique isolant et y déclencher des excitations magnétiques cohérentes à des fréquences térahertz. Cette avancée lève un verrou majeur en spintronique ultrarapide et ouvre de nouvelles perspectives pour la manipulation de l’information magnétique à très haute fréquence.

Pour relever ce défi, la méthodologie est basée sur l’étude d’une hétérostructure constituée d’une couche mince ferromagnétique de CoFeB déposée sur un film isolant de BiFeO₃ ; un matériau multiferroïque i.e., non seulement, antiferromagnétique mais aussi ferroélectrique avec un couplage entre ces deux ordres. Une impulsion laser femtoseconde induit la désaimantation ultrarapide de la couche ferromagnétique, générant ainsi une impulsion de courant de spin pendant quelques centaines de femtosecondes. Le CoFeB peut alors être considéré comme un générateur d’impulsions de courant de spin. L’évolution temporelle des propriétés de cette hétérostructure est mesurée grâce à des techniques d’optiques et de magnéto-optiques résolues en temps avec une résolution temporelle d’environ 100 fs. Les expériences montrent que la présence du BiFeO₃ modifie profondément la dynamique de désaimantation du générateur de courant de spin ultrarapide. En effet, pour une excitation identique, l’amplitude de ce dernier change de manière substantielle, révélant l’existence de nouveaux canaux de transfert de moment angulaire vers l’antiferromagnétique à des échelles temporelles sub-picosecondes.

Les mesures montrent simultanément l’apparition d’oscillations cohérentes autour de 0,6 THz, caractéristiques des excitations collectives antiferromagnétiques dans le BiFeO₃, communément appelé, électro-magnon. La démarche expérimentale démontre que cette dynamique antiferromagnétique a été déclenchée principalement par transfert de spin ultrarapide en mettant en évidence, par exemple, que l’amplitude de ces oscillations dépend crucialement de l’orientation relative du courant de spin par rapport à la texture antiferromagnétique du BiFeO₃. L’ensemble des résultats établit ainsi que l’information magnétique peut être convertie en ondes de spin antiferromagnétiques cohérentes à l’échelle de la picoseconde.

(à gauche) Schéma de la configuration expérimentale utilisée pour les mesures de l’effet Kerr magnéto-optique résolu en temps (tr-MOKE). La grande double flèche bicolore représente les échanges ultrarapides de moment angulaire entre le ferromagnétique et l’antiferromagnétique.

(à droite) Réponse optique et magnéto-optique ultrarapide de la bicouche CoFeB/BiFeO₃ soumise à une impulsion laser femtoseconde intense.

Au-delà de cette démonstration expérimentale, ces travaux apportent une preuve essentielle que les antiferromagnétiques isolants peuvent être efficacement couplés à des courants de spin ultrarapides. Ils constituent ainsi une étape importante vers le développement d’une spintronique térahertz, capable de transporter et de traiter l’information magnétique à des fréquences bien supérieures à celles des dispositifs actuels, tout en ouvrant de nouvelles perspectives pour l’étude de la propagation ultrarapide des courants de spin dans les matériaux antiferromagnétiques.

Ces travaux ont bénéficié du soutien du PEPR SPIN, dans le cadre des projets TOAST et ALTEROSPIN.