Dynamique et transport ultra rapide de spin dans des hétérostructures métalliques magnétiques

Ultrafast spin dynamics and transport in magnetic metallic heterostructures

• Auteur / Autrice : Quentin Remy
• Direction : Stéphane Mangin, Grégory Malinowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : André Thiaville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Mangin, Grégory Malinowski, Chiara Ciccarelli, Bert Koopmans, Sangeeta Sharma, J. Bokor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chiara Ciccarelli, Bert Koopmans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux ferromagnétiques

Particules (physique nucléaire) -- Hélicité

Lasers femtoseconde

Spintronique

Aimantation

Mots clés libres

Hors équilibre

Pulses laser femtoseconde

Aimantation

Courants de spin

Magnetization

Spin currents

Femtosecond laser pulses

Non equilibrium

Résumé

Le contrôle de l'aimantation, et donc du spin, aux échelles de temps ultra courtes, est un sujet d'importance fondamentale pour l'élaboration de systèmes qui peuvent stocker de l'information beaucoup plus rapidement. La possibilité d'écrire de l'information avec des pulses laser femtoseconde sur des métaux magnétiques tels que GdFeCo ou MnRuGa en quelques picosecondes fut une étape conséquente pour pouvoir réaliser ce progrès technologique. Cependant, le renversement de l'aimantation observé dans ces matériaux après les avoir irradié avec un unique pulse laser, appelé retournement tout optique indépendant de l'hélicité (AO-HIS pour {All Optical Helicity Independent Switching} en anglais), est toujours limité à une petite catégorie de matériaux ferrimagnétiques et sa description physique n'est toujours pas entièrement comprise. Dans cette thèse, nous étudions l'AO-HIS dans des films minces composés d'une ou deux couches d'alliages de GdFeCo de différentes compositions. Nous montrons que ces couches génèrent des courants de spin qui peuvent modifier l'AO-HIS de ces matériaux. En particulier, nous montrons qu'il est possible d'utiliser ces courants de spin pour renverser l'aimantation des différentes multicouches ferromagnétiques, avec un seul pulse laser femtoseconde, qui ne subiraient qu'une désaimantation et ne se retourneraient donc pas autrement. En changeant la composition de l'alliage de GdFeCo et la température de Curie du matériau ferromagnétique, nous pouvons modifier l'énergie nécessaire pour engendrer le renversement magnétique de la multicouche ferromagnétique avec un pulse de lumière. De plus, nous montrons que l'AO-HIS de l'alliage de GdFeCo n'est en réalité pas nécessaire ainsi que l'illumination directe de la couche ferromagnétique par la lumière laser. Il est donc possible de retourner l'aimantation d'un matériau ferromagnétique en utilisant uniquement des courants ultra courts de chaleur et de spin qui sont créés par la désaimantation ultra rapide partielle de l'alliage de GdFeCo et transportés jusqu'à la couche ferromagnétique via une couche de cuivre. Ces expériences sont comprises grâce à un modèle de transport semi classique dans un système contenant des électrons, des phonons et des spins quantiques et qui est basé sur l'échange de moment cinétique entre des spins localisés et itinérants. Enfin, nous avons mesuré la dynamique du renversement de l'aimantation de ce système ferromagnétique. Nous montrons que ce retournement se passe en moins d'une picoseconde, ce qui est le retournement d'aimantation le plus rapide jamais observé. Nous montrons que le courant de spin provenant de l'alliage de GdFeCo à un pouvoir réfrigérant sur l'aimantation, déjà visible en moins d'une picoseconde, et qui peut augmenter l'aimantation transitoire du système jusqu'à trente pourcents. Ces résultats sont également compris dans le cadre de notre modèle de transport de chaleur et de moment cinétique.

The control of magnetization, and thus spin, at the shortest timescale, is a fundamental subject for the development of faster data storage devices. The capability to encode information with femtosecond laser pulses on magnetic metals such as GdFeCo or MnRuGa within a few picoseconds was a significant step towards the realization of such a technology. However, the reversal of magnetization observed in these materials upon a single laser pulse irradiation, called All Optical Helicity Independent Switching (AO-HIS), is still limited to a small class of ferrimagnetic materials and its physical mechanism is not completely understood.In this work, we study AO-HIS in magnetic thin films composed of a single or two GdFeCo layers with different alloy compositions. We show that these layers generate spin currents that can affect the AO-HIS of these materials. In particular, we can use such spin currents to reverse the magnetization of various ferromagnetic multilayers, with a single femtosecond laser pulse, which would otherwise only demagnetize and never switch. Playing with the GdFeCo alloy concentration and the ferromagnetic multilayer Curie temperature, we can tune the energy required to observe single shot reversal of the ferromagnet. In addition, we show that neither AO-HIS of the GdFeCo layer is actually required nor direct light illumination of the ferromagnetic multilayer. It is then possible to reverse the magnetization of ferromagnets using only ultrashort heat and spin currents which are generated by the partial ultrafast demagnetization of GdFeCo and transported via a thick metallic copper spacer. These experimental results were successfully understood using semiclassical transport equations for electrons, phonons and quantum spins based on exchange of angular momentum between localized and itinerant spins.Finally, we were able to measure the dynamics of the ferromagnetic multilayer magnetization reversal which is shown to happen in less than a picosecond, being the fastest magnetization reversal ever observed. The action of the external spin current is shown to have an ultrafast cooling effect on the spin which is visible at the sub-picosecond timescale and which can enhance the transient magnetization by up to thirty percent. These results are also understood using our model of heat and angular momentum transport.