Manipulation ultrarapide de l'aimantation avec des impulsions de courant THz sur puce

Ultrafast manipulation of magnetization using on-chip THz

• Auteur / Autrice : . Kaushalya
• Direction : Michel Hehn, Jon Gorchon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• 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 : Hervé Rinnert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Hehn, Catherine Gourdon, Gilles Gaudin, Andrew D. Kent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Gourdon, Gilles Gaudin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétorésistance

Commutation (électricité)

Lasers femtoseconde

Aimantation

Spintronique

Mots clés libres

Manipulation ultra-Rapide de l'aimantation

Electronique de spin

Spintronique THz

THz spintronics

Electronic spin

Ultra-Fast magnetization manipulation

Résumé

Le besoin de dispositifs de stockage de mémoire a explosé au cours des dernières décennies, en particulier après le développement d'Internet. Ce besoin a atteint des sommets énormes au cours des deux dernières années, peu après la pandémie due au COVID-19. Les disques durs (HDD) sont connus pour avoir le potentiel de répondre aux demandes de stockage de données haute densité. Cette thèse traite de l'un des défis majeurs rencontrés au sein de la communauté spintronique pour améliorer la vitesse et la consommation d'énergie des dispositifs de mémoire. La vitesse de fonctionnement lors de l'écriture d'un bit magnétique dépend du mécanisme de commutation de magnétisation utilisé. Le mécanisme de commutation est lui-même dépendant des propriétés magnétiques intrinsèques de l'échantillon et de l'excitation induite de l'extérieur qui entraîne l'inversion du trépan magnétique 1. Dans cette thèse, nous nous concentrerons sur l'utilisation des excitations du couple spin-orbite (SOT) pour entraîner l'inversion, qui sont une approche relativement nouvelle mais rapide et économe en énergie par rapport à d'autres méthodes de pointe. La vitesse typique d'inversion de magnétisation à l'aide des SOT est de l'ordre de quelques nanosecondes, bien plus lente que la commutation longue de la picoseconde qui est possible avec les dispositifs de mémoire basés sur la charge 2. En fait, une vitesse d'inversion record avec des impulsions électriques aussi courtes que ~ 200 ps a été signalée par Garello et. al., 3 en 2011 en utilisant des SOT. Cette thèse rapporte des efforts supplémentaires pour accélérer l'inversion de l'aimantation de près de 2 ordres de grandeur en exploitant de tels SOT. Dans ce but, des impulsions électriques THz ont été générées via l'utilisation de commutateurs photoconducteurs Auston. Nous démontrons qu'une seule impulsion électrique de 6ps de large peut induire un SOT sur une couche ferromagnétique de Co d'une épaisseur de 1 nm et entraîner une inversion complète de l'aimantation. Une étude systématique pour comprendre les SOT dans le régime temporel picoseconde est également entreprise via l'utilisation de différentes nanostructures magnétiques. Dans les dispositifs à mémoire magnétique, une "tête de lecture" est utilisée pour lire les informations stockées dans le dispositif. Typiquement, dans les dispositifs spintroniques, des têtes de lecture à magnétorésistance géante (GMR) ou à magnétorésistance tunnel (TMR) sont utilisées pour de telles opérations. Dans cette thèse, nous rapportons également les tentatives de développement d'un capteur GMR fonctionnant en régime THz. Pour entreprendre les études susmentionnées, un montage expérimental optique et optoélectrique pompe-sonde a également été construit et un rapport détaillé de celui-ci est également fourni dans la thèse.

The need for memory storage devices has skyrocketed over the last few decades especially after the development of the internet. This need has reached enormous heights in the past two years, soon after the pandemic due to COVID-19. Hard disk drives (HDDs) are known to have the potential to meet up with the high-density data storage demands. This thesis deals with one of the major challenges faced within the spintronic community to improve the speed and the energy consumption of memory devices.The speed of operation during the writing of a magnetic bit depends on the magnetization switching mechanism employed. The switching mechanism is itself dependent on the intrinsic magnetic properties of the sample and the externally induced excitation that drives the reversal of the magnetic bit 1. In this thesis, we will focus on the use of spin-orbit torque (SOT) excitations to drive the reversal, which is a relatively new but fast and energy-efficient approach in comparison with other state-of-the-art methods.The typical speed of magnetization reversal using SOTs is in the range of few nanoseconds, far slower than the picosecond-long switching that is possible with charge-based memory devices2. In fact, a record reversal speed with electrical pulses as short as ~200ps was reported by Garello et. al., 3 in 2011 using SOTs. This thesis reports further efforts to speed up the magnetization reversal by almost 2 orders of magnitude by exploiting such SOTs. To this aim, THz electrical pulses were generated via the use Auston photoconductive switches. We demonstrate that a single 6ps wide electrical pulse can induce a SOT to a 1nm thin Co ferromagnetic layer and result in a full magnetization reversal. A systematic study to understand SOTs in the picosecond time regime is also undertaken via using different magnetic nanostructures.In magnetic memory devices, a “read-head” is used to read the stored information in the device. Typically, in spintronic devices, giant magnetoresistance (GMR) or tunnel magnetoresistance (TMR) based read heads are used for such operations. In this thesis, we also report on the attempts of developing a GMR sensor working in the THz regime.To undertake the aforementioned studies, a pump-probe optical and optoelectrical experimental setup has also been built and a detailed report of the same is also provided in the thesis.