Thèse soutenue

Sonde et contrôle des phonons cohérents et de la conversion spin-charge dans les nanostructures à l'aide d'impulsions lumineuses ultrarapides dans le visible et le THz
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Auteur / Autrice : Artem Levchuk
Direction : Pascal RuelloVincent Juvé
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique, ondes et matériaux
Date : Soutenance le 10/03/2022
Etablissement(s) : Le Mans
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans ; 2012-....) - Institut des Molécules et Matériaux du Mans / IMMM
Jury : Président / Présidente : Arnaud Arbouet
Examinateurs / Examinatrices : Pascal Ruello, Vincent Juvé, Arnaud Arbouet, Christine Boeglin
Rapporteurs / Rapporteuses : Steven Johnson, Luca Perfetti

Résumé

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La physique de l'état solide à l'échelle nanométrique a suscité un intérêt considérable en raison des progrès réalisés dans les techniques de fabrication d'échantillons et de la métrologie. En plus, les progrès dans le domaine des lasers femtosecondes impulsionnels a permis le contrôle résonant de la matière. Ces deux développements définissent de nouvelles orientations de recherche en nanophotonique, en physique des solides et en spintronique. Cependant, le couplage ultrarapide entre les électrons, les phonons et les spins dans des systèmes spatialement confinés n'est pas encore totalement compris pour répondre à divers défis technologiques. La première partie de cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la génération cohérente de phonons acoustiques avec des impulsions ultracourtes dans le terahertz et le proche infrarouge. En utilisant la spectroscopie non linéaire ultrarapide dans une géométrie pompe-sonde, nous étudions la réponse transitoire des films métalliques (Cr, Al) et de l'isolant topologique à bande interdite étroite (Bi2Te3) à l'échelle de temps picoseconde. Grâce à une comparaison quantitative entre les excitations par impulsions ultracourtes térahertz et infrarouges, nous révélons que le processus de génération de phonons acoustiques par térahertz est principalement dirigé par un stress thermoélastique, c'est-à-dire par un chauffage Joule ultrarapide. Dans l'étape suivante, nous abordons la génération de phonons optiques cohérents dans les nanofilms de Bi2Te3. D’une part, conformément à la littérature, nous constatons qu’une impulsion infrarouge n’excite que des phonons optiques actifs Raman. D'autre part, la dynamique du réseau est riche lorsqu’une impulsion térahertz excite le système. En effet, les expériences montrent qu’une impulsion térahertz excite d'abord les phonons actifs infrarouges, et que ces derniers, par des processus de couplage phonon-phonon non linéaires, excitent d'autres modes actifs Raman. De plus, en décrivant les différents canaux de relaxation du réseau, nous mettons également en évidence une dynamique de couplage multi-mode. Ainsi, ce travail contribue à la description au domaine émergent de la physique phononique non linéaire. La troisième contribution de cette thèse est le contrôle à l’échelle picoseconde de la conversion spin/charge par une combinaison de la démagnétisation ultrarapide dans le CoFeB, des mécanismes de couplage spin-orbite et de la forte interaction spin-orbite. La conversion spin-charge a des origines différentes selon les nanostructures CoFeB/Pt ou MgO. La conversion peut être réalisée soit dans le film ferromagnétique de CoFeB (via l'effet Hall anormal), soit dans le film de Pt en métal lourd (effet Hall de spin inverse), soit à l'interface CoFeB/MgO (effet Edelstein inverse). Le courant de charge transitoire généré par le produit croisé de l'aimantation du CoFeB et de la direction du courant de spin provoqué par la lumière conduira à une émission de lumière aux fréquences térahertz. Ce rayonnement est analysé dans le champ lointain à l'aide d'une technique d'échantillonnage électro-optique. Nous confirmons d'abord la robustesse de la conversion par effet Hall de spin inverse dans les nanostructures CoFeB/Pt. Ensuite, nous rapportons la conversion ultra-rapide de la charge de spin via l'effet Edelstein inverse dans le système CoFeB/MgO, révélée jusqu'à présent uniquement dans le régime DC. Enfin, nous montrons que l'effet Edelstein inverse est sensible à l'énergie des photons, ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour les émetteurs spintroniques ultrarapides.