Manipulation de l’aimantation par un courant de spin et par pulse laser ultra-rapid[e]

Magnetization manipulation induced by spin current and ultrafast laser

• Auteur / Autrice : Jiaqi Wei
• Direction : Stéphane Mangin, François Montaigne, Weisheng Zhao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/06/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Beihang university (Pékin)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Bert Koopmans
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Mangin, François Montaigne, Weisheng Zhao, Liliana-Daniela Buda, Weiwei Lin, Na Lei
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Liliana-Daniela Buda, Weiwei Lin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique nucléaire) -- Hélicité

Lasers femtoseconde

Transfert de spin

Oscillateurs à microondes

Aimantation

Spintronique

Mots clés libres

Nano-oscillateurs à transfert de spin

Modulation par déplacement d’amplitude

Modulation par déplacement de fréquence

Retournement tout optique indépendant de l’hélicité

Retournement tout optique dépendant de l’hélicité

Spin torque nano-oscillators

Amplitude shift keying

Frequency shift keying

All-optical helicity-independent switching

All-optical helicity-dependent switching

Résumé

La manipulation de l’aimantation est un des sujets de recherche les plus étudiés dans le domaine de l’électronique de spin. Différentes méthodes de manipulations peuvent exciter les propriétés dynamiques de l’aimantation à différentes échelles de temps. Parmi les phénomènes dynamiques, la précession de l’aimantation et la désaimantation ultrarapide ont suscité un intérêt particulier. La fréquence de précession de l’aimantation est de l’ordre du GHz et correspond à une période de centaines de picosecondes. Cette précession est le mécanisme à l’œuvre dans les nano-oscillateurs à transfert de spin (NOTS), un nouveau type de dispositif microonde présentant des avantages sur l’oscillateur commandé en tension (OCT) conventionnel en termes de taille, de consommation d’énergie et d’adaptabilité de la fréquence. La désaimantation ultrarapide a été observé pour la première fois dans du nickel en quelques centaines de femtosecondes. Le renversement tout optique (RTO), nécessitant la désaimantation ultrarapide, a ensuite été démontré expérimentalement. Le RTO est bien plus rapide que tout autre retournement de l’aimantation par couple et est donc prometteur pour construire des mémoires magnétiques ultrarapides. Bien que de nombreuses études sur ces deux phénomènes existent, plusieurs problèmes se doivent d’être résolus avant de pouvoir passer à l’étape de production industrielle. Les NOTS sont censés être utilisés pour la modulation par déplacement d’amplitude (MDA) ou la modulation par déplacement de fréquence (MDF), mais les conditions optimales pour ces deux types de modulation microondes n’ont pas encore été assez investiguées. Quant au RTO, l’influence des paramètres du laser tels que la fluence ou la durée de l’impulsion et des propriétés du matériau tels que le composition et l’épaisseur n’a pas fait l’objet d’études systématique. Dans ce manuscrit, ces deux types de manipulation de l’aimantation sont étudiés en détail. En ce qui concerne la précession de l’aimantation, nous démontrons qu’un champ magnétique accru permet d’obtenir une plus large plage de fréquence possible alors qu’un champ magnétique plus faible résulte en une plage d’amplitude possible élargie. Ainsi ces deux scenarii sont applicables au MDF et MDA, respectivement, et posent les bases d’une utilisation des NOTS en modulation microonde. Dans la deuxième étude, nous démontrons que le RTO dépends fortement des caractéristiques de l’impulsion laser. Pour cela nous avons construit un diagramme d’état pour le GdFeCo et le Co/Pt, deux matériaux typiques respectivement du retournement tout optique indépendant de l’hélicité (RTO-IH) et du retournement tout optique dépendant de l’hélicité (RTO-DH). Ces résultats permettent une meilleure compréhension du mécanisme fondamental régissant la dynamique de l’aimantation induite par exposition à un laser.

Magnetization manipulation is one of the most actively researched topics in the field of spintronics. Different ways of manipulation can trigger magnetization dynamics on different time scales. Among these dynamics, magnetization precession and ultrafast demagnetization have attracted substantial interests. The frequency of magnetization precession is normally in the GHz range corresponding to a period of hundreds of ps, which is the basic mechanism of spin torque nano-oscillators (STNO), a new type of microwave devices which show advantages over conventional voltage-controlled oscillator (VCO) in terms of size, energy consumption and tunable frequency. Ultrafast demagnetization was first observed in Ni which takes places in hundreds of femtoseconds. Triggered by this, All-Optical Switching (AOS) was then demonstrated which is much faster than any torque induced switching, promising for application in the high-speed magnetic memory. Although many studies on these two phenomena have been reported, several issues need to be addressed before they move toward application. STNOs are supposed to be used for amplitude shift keying (ASK) or frequency shift keying (FSK), but the optimal conditions for these two types of microwave modulation are still not well explored. As for AOS, the influence of the laser parameters such as fluence and pulse duration and the material properties such as the composition and the thickness has not been systematically investigated. In this thesis, these two types of magnetization manipulation are studied in detail. Concerning magnetization precession, we demonstrate that a stronger magnetic field allows a wider frequency tuning range while a smaller magnetic field results in a wider amplitude tuning range. Thus, these two scenarios are applicable to FSK and ASK, respectively, providing guidelines for STNO in microwave modulation. In the second study, we demonstrate that AOS depends strongly on pulse characteristic. This was shown by building a magnetization state diagram for GdFeCo and Co/Pt which are two typical materials showing All-Optical Helicity-Independent Switching (AO-HIS) and All-Optical Helicity-Dependent Switching (AO-HDS), respectively. These results allow a better understanding of the fundamental mechanism behind laser-induced magnetization dynamics.