Dans les dispositifs spintroniques, l'information est codée via le spin des électrons. Il faut pour cela savoir créer et contrôler efficacement des courants électroniques polarisés en spin (ou courants de spin purs, sans transfert de charges).

L'aimantation d'un matériau ferromagnétique peut être modifiée par une impulsion laser femtoseconde ou fs (~ 10^-15 s). Sous l'effet de l'impulsion laser, les électrons du matériau acquièrent de l'énergie, diffusent et relaxent vers d'autres niveaux d'énergie. L'aimantation au sein du matériau se réorganise en créant des courants de spin, avec ou sans transfert de charges. Ceux-ci sont régis par la diffusion des électrons pendant une durée de l'ordre de 100 femtosecondes à 10 picosecondes ou ps (10^-12 s) qui ne dépend pas de l'impulsion laser mais seulement du matériau.

Pour mieux comprendre cette réorganisation électronique, des chercheurs de l'Iramis ont mis en œuvre une des premières mesures de dynamique de spin à l'échelle attoseconde, dans un empilement classique, composé de 20 couches alternées de platine et de cobalt d'un nanomètre d'épaisseur.

Une modification soudaine de l'aimantation

La structure multicouche est excitée par une impulsion laser infrarouge de ~ 4 fs polarisée linéairement – ce qui déclenche un réarrangement des spins – puis aussitôt sondée à l'aide d'une impulsion attoseconde ou as (10^-18 s) XUV polarisée circulairement. Cette dernière permet de distinguer les deux états de spin, simultanément dans le cobalt et dans le platine, avec une résolution attoseconde.

• Pendant l'impulsion laser fs, l'aimantation des couches de cobalt diminue d'environ 10 % en seulement 2 fs. Ce temps de décroissance est bien plus rapide qu'attendu.
• Simultanément, l'aimantation des couches de platine augmente de plusieurs pourcents de manière inattendue.

Le temps d'une impulsion laser

Ce comportement s'accorde parfaitement aux simulations utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TD-DFT). Expérience et théorie suggèrent ensemble que le laser déclenche un transfert de spin allant du cobalt au platine. De manière remarquable, ce transfert n'a lieu que pendant l'impulsion laser, qui ne dure que quelques femtosecondes.

L'effet observé est fondamentalement différent de ce qui était connu jusqu'à présent : la forme et la durée du courant de spin sont contrôlées par l'impulsion laser, et non plus par le matériau et la diffusion électronique.