Une magnétisation induite par laser à l'échelle de la femtoseconde
L'usage de simulations numériques au niveau atomistique a apporté des informations très utiles sur la magnétisation ultra rapide. Ces informations ont conduit à un formalisme de base pour comprendre la physique de l'excitation de matériaux ferromagnétiques par des impulsions laser de quelques femtosecondes. Cependant, elles ont aussi soulevé de nombreuses questions importantes. Dans le cadre du projet FEMTOSPIN (Multiscale modelling of femtosecond spin dynamics), financé par l'UE, de nouveaux modèles théoriques des processus ultra rapides ont été conçus par de grands groupes de recherche en Allemagne, en Hongrie, en Espagne, en Suède et au Royaume-Uni. En parallèle, les prévisions des modèles ont été testées de manière détaillée lors d'expériences innovantes conduites par des chercheurs en Allemagne, aux Pays-Bas et au Royaume-Uni. Le projet visait à mieux comprendre les processus physiques soutenant la mise au point d'une technique tout-optique pour le stockage de données sur disque dur. La manipulation ultra rapide de porteurs de l'information peut atteindre de très hautes densités de stockage, mais aussi accélérer le transfert de données. Cette partie du projet a été supervisée par le partenaire industriel. La mise au point d'un tel système tout optique impose de disposer de modèles couvrant plusieurs échelles temporelles. Pour atteindre l'échelle de temps des interactions entre les photons, les électrons et le spin, il a fallu faire appel à la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps Enfin, pour comparer les prévisions du modèle aux résultats des expériences, il a fallu appliquer des modèles de continuum mésoscopique. Les calculs de la structure électronique par la théorie de la fonctionnelle de la densité ont mis en évidence le rôle du transport de spin dans les changements de magnétisation après une impulsion laser ultra courte. Ensuite, les chercheurs ont relié mathématiquement ces calculs de la structure électronique avec des modèles classiques de spin atomique. L'ensemble alimente les modèles de macro-spin à grande échelle, qui assurent la liaison avec les expériences. Cette approche à plusieurs échelles a mis en évidence de nombreux phénomènes associés, comme la découverte par l'équipe de FEMTOSPIN de l'origine du changement de magnétisation induit par la chaleur. En outre, les modèles ont prévu qu'une inversion sous l'action de la chaleur survienne dans des aimants constitués de deux couches ferromagnétiques couplées de manière anti-ferromagnétique. Les expériences ont confirmé cette prévision. Les chercheurs de FEMTOSPIN ont conçu une méthode à plusieurs échelles pour modéliser la magnétisation, et ont validé cette méthode par des expériences. Une meilleure compréhension du comportement des matériaux à spin ordonné, grâce à de nouveaux outils de modélisation, conduira à une nouvelle génération de dispositifs magnétiques pour le stockage ultra rapide des informations.
Mots‑clés
Magnétisme ultra rapide, simulations atomistiques, structure électronique, FEMTOSPIN, modélisation à plusieurs échelles, densité de stockage, DFT
