Des accumulations ultra-rapides de spin permettent de renverser l’aimantation dans les matériaux magnétiques
Des membres du Programme de Recherche SPIN, du projet ciblé TOAST ont démontré qu’ils étaient capable de distinguer la dynamique de l’aimantation de celles des accumulations de spins dans des structures complexes en utilisant de la lumière. Ces recherches ont été publiées dans APS Journals le 2 février 2026 dans un papier s’intitulant : “Ultrafast Spin Accumulations Drive Magnetization Reversal in Multilayers”
Les recherches :
Imaginez pouvoir inverser l’aimantation d’un matériau en un temps record, sans contact direct, simplement à l’aide d’une impulsion lumineuse. C’est ce que montrent de récents travaux menés sur des structures magnétiques multicouches, où la dynamique des spins joue un rôle clé.
Les membres scientifiques du Programme de Recherche SPIN, du projet ciblé TOAST, ont étudié des systèmes composés de deux couches magnétiques séparées par une fine couche de cuivre. En utilisant des impulsions laser ultra-courtes, ils ont pu à la fois exciter ces structures et suivre leur évolution à des échelles de temps de l’ordre de la femtoseconde.
Des travaux précédents, publiés en 2023, avaient déjà démontré qu’un échauffement ultrarapide induit par laser pouvait inverser l’aimantation d’une des couches en moins de 1000 femtosecondes. Dans cette nouvelle étude, les scientifiques mettent en évidence un mécanisme complémentaire : le chauffage puis le refroidissement des couches magnétiques génèrent des accumulations de spins dans le cuivre.
Ces accumulations ne sont pas de simples effets secondaires. Elles interagissent avec les couches magnétiques voisines et contribuent au processus d’inversion de l’aimantation. Autrement dit, elles participent activement à la dynamique qui permet de contrôler l’état magnétique du système.
Pour parvenir à ces résultats, les chercheurs ont développé une méthode optique innovante, capable de distinguer la dynamique de l’aimantation de celle des accumulations de spins dans ces structures complexes.
Cette avancée permet non seulement de mieux comprendre les mécanismes en jeu, mais aussi d’envisager des dispositifs capables de manipuler l’information à des vitesses bien supérieures aux technologies actuelles.
Pour approfondir :
Dans ce nouveau travail, les chercheurs montrent que, dans ces mêmes structures, des accumulations de spins importantes sont générées dans le cuivre suite à l’échauffement et au refroidissement des couches magnétiques. En effet, l’échauffement ultra-rapide des couches magnétiques les désaimente, et une partie de l’aimantation perdue est alors transférée vers les couches voisines à travers des courants de spin.
L’injection de spins dans la couche de cuivre mène à une accumulation de ceux-ci, qui vont diffuser jusqu’à atteindre la couche magnétique éloignée pour finalement agir sur son orientation magnétique. Curieusement, ce même effet peut s’inverser pendant que la couche magnétique se réaimante depuis son état de désaimantation induit par le laser, et potentiellement dicter l’état final de la couche magnétique éloignée.
C’est ce mécanisme inversé que les chercheurs ont mis en lumière pour la première fois. Pour parvenir à cette conclusion, les chercheurs ont mis au point, ces dernières années, une méthode optique novatrice pour la détection des accumulations de spins, le tout à des échelles ultra-rapides. En utilisant des mesures magnéto-optiques complémentaires (dites de rotation et d’ellipticité Kerr, statiques et dynamiques), les chercheurs peuvent remonter à une grandeur proportionnelle aux accumulations de spins.
Combinées avec des simulations numériques de diffusion et de dynamique magnétique s-d, ces mesures ont permis aux chercheurs d’attribuer le mécanisme de retournement aux courants ultra-rapides de réaimantation.
Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités pour le contrôle d’aimantations à des échelles ultra-rapides, grâce à un mécanisme simple et universel. De plus, les nouvelles méthodes magnéto-optiques développées devraient permettre d’observer les transferts de moment angulaire (aimantation) de spin et/ou d’orbite directement dans d’autres systèmes, le tout à des échelles ultra-rapides.
Co-auteurs : Harjinder Singh, Alberto Anadón, Junta Igarashi, Quentin Remy, Stéphane Mangin, Michel Hehn, Jon Gorchon and Gregory Malinowski
Laboratoires de référence : Institut Jean Lamour, Instituto de Nanociencia y Materials de Aragon, Freie Universität Berlin, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
