Dynamique de spin et interactions spin-photon

H. Le Gall
1974 Revue de Physique Appliquée  
2014 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
more » ... tation (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 spinflip) 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 ferroet 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 magnonphonon, 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. Abstract. 2014 A survey of the para-and ferromagnetic spins evolution is given from an unified description of the different spin-photon, spin-spin and spin-phonon interactions. The basis mechanisms are discussed in detail by using the real and virtual character of the electric and magnetic dipole interactions. In the microwave range the spins evolution depends on the pumping geometry (perpendicular or parallel), on the excitation level (linear, non-linear and parametric excitation), on the transient or steady-state pumping type. Two transient or pulse evolutions are discussed : one is the basis of the spin-echo technique and the second describes the adiabatic or non-adiabatic (spin-flip) evolution of a spins system in a d. c. magnetic field having a change of its direction. In a ferromagnet the spin-flip induces magnons which increase the reversal magnetization time. After the description of the spin-waves and magnons in the ferro-and antiferromagnets, the magnon-magnon, magnon-phonon and magnon-magnetic impurities interactions are analyzed. In the optical range the spin-photon interactions induce many magnetooptical (M. O.) effects, either absorption type (2-magnon and magnon-phonon absorption, magnon-side-bands), or elastic scattering type (Faraday and Cotton-Mouton effects) and inelastic scattering type (1, 2 and 4-magnon Raman effects). The physical and analytical relations between the different M. O. effects are obtained by introducing the electric and magnetic dipoles induced by the light, either in the Maxwell equations (classical macroscopic description), or in the electric and magnetic dipole interactions Hamiltonians (second-quantization macroscopic description). In the last part the microscopic origin of the spin-photon interactions is discussed from the real and virtual transitions which appear in the expression of the tensorial dynamical polarizability of a magnetic ion with the spin-orbit and exchange couplings.
doi:10.1051/rphysap:0197400905079300 fatcat:kth5vvyccrbihnavdchxvcrghq