Ultrafast acoustics in hybrid and magnetic structures

par Viktor Shalagatskyi

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Vasily Temnov, Thomas Pézeril et de Gwenaëlle Vaudel.

Soutenue le 30-10-2015

à Le Mans , dans le cadre de École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans) , en partenariat avec Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans) (laboratoire) et de Institut des molécules et des matériaux du Mans / IMMM (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Acoustique ultra-rapide dans les couches magnétiques hybrides


  • Résumé

    L’objectif de cette thèse est de comprendre la dynamique des excitations électroniques, thermiques et acoustiques dans une structure hybride composée d’un film métallique noble et d’un film ferromagnétique. L’analyse des processus est possible grâce à l’excitation d’un film métallique par une impulsion laser ultra brève qui génère des impulsions acoustiques. L’étude s’appuie sur la technique femtoseconde pompe-sonde et les simulations numériques. Beaucoup de processus intéressants comme l’excitation des électrons chauds et génération des impulsions acoustiques peuvent être étudiés. Le fait de mieux comprendre le mécanisme de ces processus amène à la possibilité de contrôler les propriétésélectroniques, mécaniques et magnétiques des matériaux. Cela permettra d’introduire des concepts innovants pour des nouveaux dispositifs ou d’optimiser la performance des dispositifs qui existent déjà. Le point de départ de ce travail est l’observation expérimentale d’impulsions acoustiques de durée très courte (2 ps) générées dans un film de cobalt de 30nm via excitation d’un film d’or (de 50 nm jusqu’à 500 nm). Le processus majeur en jeu est le transport ultrarapide de l’énergie par les électrons super diffusifs à travers la couche d’or. Pour étudier le transport diffusive des électrons on utilise le modèle à Deux Températures. Ce nouveau concept a été confirmé par des mesures magnétiques : excitation de la précession de la magnétisation par les électrons super diffusifs. De plus, notre analyse des courbes de réflectivité amontré la possibilité de retrouver la résistance aux l’interfaces (résistance de Kapitza) pour les interfaces métal- diélectrique et métal-métal.


  • Résumé

    This thesis aims to understand the ultrafast dynamics of electronic, thermal and acoustic excitations in noble metal -ferromagnet multilayer structures. We start from the initial stage of ultrafast laser excitation up to the detection of thegenerated picosecond acoustic pulses by using the femtosecond pump-probe technique and numerical simulations. Various interesting transient physical processes are taking place on intermediate timescales. Understanding and explaining their mechanisms leads to the possibility of controlling electronic, mechanical and magnetic properties of materials. Thus, it becomes possible to introduce innovative concepts of new devices and optimize the performances for already existingtechnologies. The starting point of this work is the experimental observation by reflectivity measurements of 2-ps acousticpulses generated in a 30 nm thin cobalt layer when the ultrashort laser pulse excites a much thicker gold overlayer of varying thicknesses from 50 to 500 nm. If we take into account the fact that the optical energy deposition by a visible light in gold is limited by a tiny (~10nm) skin depth, the only reasonable explanation of the acoustic strain generation in adjacent cobalt layer can be provided by considering ultrafast energy transport by super-diffusive hot electrons through the gold layer. The hot electron diffusion is studied within the Two Temperature Model. This novel concept was corroborated by complementarymeasurements of magnetization precession in cobalt induced by hot electrons initially generated in gold. In our analysis we were able to fit both thermal and acoustic components of transient reflectivity measurements and retrieve the values of the Kapitza resistances at the metal-metal and metal-dielectric interfaces.


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