Métastabilité de l'aimantation induite par le champ térahertz près de la criticité dans FePS3

Magnétisation métastable induite par un champ térahertz près du point critique dans FePS₃

Contexte académique

Ces dernières années, le contrôle des propriétés fonctionnelles des matériaux quantiques par la lumière est devenu un domaine de pointe en physique de la matière condensée, conduisant à la découverte de diverses phases de matière induites par la lumière, telles que la supraconductivité, la ferroélectricité, le magnétisme et les ondes de densité de charge. Cependant, dans la plupart des cas, les phases photo-induites reviennent à l’équilibre sur des échelles de temps ultra-rapides après l’extinction de la lumière, ce qui limite leurs applications pratiques. Par conséquent, la recherche de stratégies pour stabiliser les états hors équilibre est devenue une tâche complexe et continue. Les impulsions térahertz (THz), en raison de leur faible énergie photonique, peuvent exciter sélectivement les modes collectifs tout en maintenant les degrés de liberté orbitaux et électroniques dans l’état fondamental, ce qui a attiré une attention considérable ces dernières années.

L’équipe de recherche a utilisé des impulsions THz intenses pour induire une magnétisation métastable dans l’antiferromagnétique van der Waals FePS₃, avec une durée de vie dépassant 2,5 millisecondes. Cette découverte démontre la possibilité de manipuler efficacement l’état magnétique fondamental dans les aimants stratifiés par des voies non thermiques utilisant la lumière THz, et établit les régions près des points critiques avec des fluctuations accrues du paramètre d’ordre comme des domaines prometteurs pour la recherche d’états quantiques cachés métastables.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Batyr Ilyas, Tianchuang Luo, Alexander von Hoegen, Emil Viñas Boström, Zhuquan Zhang, Jaena Park, Junghyun Kim, Je-Geun Park, Keith A. Nelson, Angel Rubio et Nuh Gedik, provenant respectivement du Massachusetts Institute of Technology, de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière, de l’Université du Pays Basque, de l’Université nationale de Séoul et de l’Institut Flatiron. L’article a été publié dans la revue Nature du 19 au 26 décembre 2024.

Processus et résultats de la recherche

Conception expérimentale

FePS₃ est un matériau antiferromagnétique van der Waals avec un réseau en nid d’abeille, dont la structure magnétique est déterminée par le couplage spin-orbite et l’anisotropie à ion unique des ions Fe²⁺. L’équipe de recherche a utilisé des impulsions THz intenses pour exciter de manière résonante les modes magnons et phonons de basse énergie dans FePS₃, modifiant ainsi les paramètres d’échange et conduisant le système à un état avec une magnétisation finie. Dans les expériences, l’équipe a utilisé différentes sources THz et a surveillé la dynamique à l’aide d’une impulsion sonde proche infrarouge (800 nm).

Phonons cohérents induits par THz

Les résultats expérimentaux montrent que les changements transitoires induits par les impulsions THz incluent des oscillations rapides et un signal positif fort près du temps zéro. Par transformée de Fourier, l’équipe a identifié quatre modes phonons distincts et un mode magnon. Les fréquences de ces modes sont en accord avec les résultats de la spectroscopie Raman et infrarouge. À mesure que la température approche du point de transition antiferromagnétique, un signal à longue durée de vie commence à s’accumuler, indiquant un changement significatif dans le comportement dynamique du système près du point critique.

Magnétisation métastable

L’équipe a découvert qu’à mesure que la température approche du point de transition antiferromagnétique, le signal à longue durée de vie induit par les impulsions THz commence à s’accumuler et atteint un pic à 118 K. En analysant la dépendance en température de la rotation de polarisation et du changement d’ellipticité, l’équipe a conclu que le signal d’ellipticité nécessite un mécanisme non thermique pour être expliqué. Des expériences supplémentaires ont montré que le signal de dichroïsme circulaire induit par THz indique que le nouvel état photo-induit possède une magnétisation nette hors plan.

Magnétisation induite par phonons

À travers un modèle microscopique spin-réseau et des simulations de Monte Carlo, l’équipe a découvert qu’un mode phonon spécifique (ω₂ = 3,27 THz) module les paramètres d’échange, conduisant à la génération d’une magnétisation finie. Le déplacement de ce mode phonon modifie les longueurs des liaisons Fe-Fe, renforçant les interactions d’échange dans certaines chaînes tout en les affaiblissant dans les chaînes adjacentes, ce qui entraîne une magnétisation nette.

Ralentissement critique

L’équipe a constaté que la durée de vie de l’état magnétisé induit par THz augmente considérablement à l’approche du point de transition antiferromagnétique, atteignant 2,5 millisecondes. Ce phénomène peut être expliqué par la théorie des fluctuations critiques, où le comportement dynamique du système montre un ralentissement critique près du point de transition, conduisant à une augmentation significative de la durée de vie de l’état magnétisé.

Conclusion et perspectives

Cette recherche démontre la possibilité d’induire une magnétisation métastable dans FePS₃ par la lumière THz et révèle le rôle crucial des fluctuations critiques dans la stabilisation de cet état hors équilibre. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche d’états quantiques cachés métastables près des points critiques et offre un potentiel pour les futures applications en spintronique.

Points forts de la recherche

  1. Longue durée de vie de la magnétisation métastable : La magnétisation induite par les impulsions THz a une durée de vie dépassant 2,5 millisecondes, bien plus longue que les phases photo-induites précédentes.
  2. Rôle des fluctuations critiques : La recherche met en lumière le rôle clé des fluctuations critiques dans l’amplification de la magnétisation hors équilibre et la promotion de sa métastabilité.
  3. Manipulation non thermique du magnétisme : La manipulation de l’état magnétique fondamental dans les aimants stratifiés par la lumière THz offre un nouvel outil pour l’étude des matériaux quantiques.

Importance de la recherche

Cette recherche fournit non seulement une nouvelle perspective pour comprendre les états hors équilibre dans les matériaux quantiques, mais offre également une plateforme matérielle potentielle pour les futures applications en spintronique et en calcul quantique. En manipulant l’état magnétique fondamental par la lumière THz, les chercheurs peuvent explorer davantage d’états quantiques cachés près des points critiques, propulsant ainsi le domaine des matériaux quantiques.