Dynamique de spin et interactions spin-photon

H. Le Gall

L'évolution d'un système de spin para- ou ferromagnétique est revue à partir d'une description unifiée des différentes interactions spin-photon, spin-spin et spin-phonon. On discute principalement les mécanismes de base de manière simple et physique en tenant compte de la nature dipolaire électrique ou magnétique et du caractère réel ou virtuel de ces interactions. Dans la bande microonde l'évolution des spins dépend de la géométrie du pompage (perpendiculaire ou parallèle), du niveau d'excitation (évolutions linéaire, non linéaire, paramétriques) et du régime stationnaire ou transitoire. Deux cas de régime transitoire ou impulsionnel sont discutés. L'un est à la base de l'écho de spin et le second décrit l'évolution adiabatique ou non adiabatique (apparition de spin-flip) d'un ensemble de spins dans un champ magnétique variable en direction. Dans un ferromagnétique, le spin-flip produit des magnons qui augmentent le temps de basculement de l'aimantation. Après description des ondes de spin et des magnons dans les ferro- et antiferromagnétiques, les interactions magnons-magnons, magnons-phonons et magnons-impuretés qui sont à la base de la relaxation magnétique seront analysées. Dans la bande optique les interactions spin-photon définissent de multiples effets M. O., soit du type absorption (absorption à 2 magnons et magnon-phonon, absorption exciton-magnon ou « magnon side-bands »), soit du type diffusion, ou élastique (effets Faraday et Cotton-Mouton), ou inélastique (effets Raman à 1, 2 et 4 magnons). Les relations physiques et analytiques qui existent entre les différents effets magnéto optiques seront précisées en introduisant les dipôles électriques et magnétiques induits par la lumière soit dans les équations de Maxwell (description macroscopique classique), soit dans les Hamiltoniens d'interactions dipolaires électriques et magnétiques (description macroscopique en seconde quantification). Dans une dernière partie l'origine microscopique des interactions spin-photon est discutée à partir des transitions réelles et virtuelles qui apparaissent dans l'expression de la polarisabilité dynamique tensorielle d'un ion magnétique en présence des couplages spin-orbite et d'échange.

Keywords: antiferromagnetism; ferromagnetism; magneto optical effects; paramagnetism; spin dynamics; spin waves; spin photon interactions; transient evolutions; paramagnetic spins; spin echo technique; spin spin interactions; adiabatic evolution; ferromagnets; spin phonon interactions; spin flip system; electric dipole interactions; magnons; transient pumping type; steady state pumping type; magnon magnon interactions; magnon phonon interactions; magnon magnetic impurity interactions; magnetooptical effects; Faraday effect; Cotton Mouton effects; magnon Raman effects; spin orbit couplings; ferromagnetic spins; magnetic dipole interactions; microwave range; excitation level; pumping geometry; parametric excitation; pulse evolutions; antiferromagnets; Maxwell equations; tensorial dynamical polarizability; magnetic ion; exchange couplings

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H. Le Gall. Dynamique de spin et interactions spin-photon. Revue de Physique Appliquée, 1974, 9 (5), pp.793-818. ⟨10.1051/rphysap:0197400905079300⟩. ⟨jpa-00243846⟩