Optical detection of magneto-acoustic dynamics

par Piotr Kuszewski

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Catherine Gourdon et de Laura Thevenard.

Soutenue le 09-11-2018

à Sorbonne université , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Institut des NanoSciences de Paris (laboratoire) .

Le président du jury était Massimiliano Marangolo.

Le jury était composé de Sarah Benchabane, Karine Dumesnil.

Les rapporteurs étaient Olivier Klein, Thomas Pézeril.

  • Titre traduit

    Détection optique de la dynamique magnéto-acoustique


  • Résumé

    Ce travail se situe dans le contexte de l’utilisation des ondes de spin comme vecteur d’information. Il explore la possibilité d’exciter l’aimantation dans de fines couches ferromagnétiques grâce au couplage magnéto-élastique. Cela permettrait un adressage non-inductif, efficace, et distant des ondes de spin. Dans un premier volet, nous avons développé un dispositif expérimental générant des ondes acoustiques de surface (ODS) électriquement, verrouillées en phase à des impulsions de laser sonde. La dynamique d’aimantation est détectée grâce aux effets magnéto-optiques (Kerr et Voigt). Nous étudions le couplage magnétoélastique résonant dans une couche mince du semiconducteur magnétique (Ga,Mn)As. Afin d’atteindre la résonance, la fréquence des ondes de spin est ajustée à celle des ODS par un champ magnétique. Nous isolons les contributions photo-élastique et magnéto-optique du signal, pour quantifier l’amplitude de la précession d’aimantation. Nous montrons que la précession observée est exclusivement déclenchée par l’ODS. La variation en champ de son amplitude correspond très bien à celle calculée, et elle est maximum au champ pour laquelle l’absorption de l’ODS est maximale, démontrant clairement la résonance magnétoacoustique. L’influence de la fréquence et de la puissance de l’ODS, ainsi que de la température sur l’efficacité du couplage est également explorée. Dans un deuxième volet, nous avons excité des ODS par effet thermoélastique grâce à un faisceau laser focalisé, et cela sur des couches magnétiques métalliques cette fois-ci (Ni, FeGa, Co), déposées sur un substrat transparent (verre, sapphire). Des cartes spatio-temporelles du déplacement de la surface et du signal magnéto-optique ont été obtenues. Un décalage du spectre magnéto-optique vers les hautes fréquences semble indiquer une excitation des ondes de spin par les ODS.


  • Résumé

    In the developing field of spin wave-based information technology, this work investigates the possibility to use surface acoustic waves (SAW) to excite spin-waves in ferromagnetic thin layers relying on the magnetoelastic coupling. This would provide a non-inductive, efficient, and remote addressing of spin waves. In the first project we develop an experimental setup to generate electrically excited SAWs phase-locked to probe laser pulses. The magnetization dynamics is detected by an optical bridge using magneto-optical effects (Kerr and Voigt). We investigate the resonant magneto-elastic coupling in a thin film of the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As. To reach resonant coupling, the spin-wave frequency is scanned across the SAW frequency using a magnetic field. We disentangle the photoelastic contribution from the magneto-optical one, from which we obtain the amplitude of magnetization precession. We show that it is driven solely by the acoustic wave. Its field dependence is shown to agree well with theoretical calculations. Its amplitude resonates at the same field as the resonant attenuation of the acoustic wave, clearly evidencing the magnetoacoustic resonance with high sensitivity. The influence of temperature, SAW frequency and power on the coupling efficiency are studied. In the second project we use SAWs thermoelastically excited by a tightly focused laser beam on ferromagnetic metals (Ni, FeGa, Co) on a transparent substrate (glass, sapphire). Spatio-temporal maps of the surface displacement and magneto-optical signal are obtained. A high-frequency shift of the frequency spectrum of the latter gives a hint for spin-wave excitation by SAWs.


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