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Dynamique ultrarapide dans les matériaux multiferroïques

par Zixin Li

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Michel Viret.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de Physique en Ile de France , en partenariat avec CEA/SPEC - Service de Physique de l'Etat Condensé (laboratoire) , Faculté des sciences d'Orsay (référent) et de Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....) (graduate school) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Les matériaux multiferroïques font l'objet d'un intense effort de recherche en raison de l'intérêt technologique important des matériaux multifonctionnels ainsi que de la richesse de la physique fondamentale issue du couplage de différents paramètres d'ordre. Parmi tous les multiferroïques, le BiFeO3 (BFO) est un matériau de choix car ses deux températures de commande (FE ferroélectrique et AF) sont bien supérieures à la température ambiante. De plus, un grand couplage magnéto-électrique a été mis en évidence dans les monocristaux ainsi que dans les couches minces. Les multiferroïques sont donc un terrain de jeu prototypique pour comprendre et maîtriser les mécanismes fondamentaux sous-jacents des différents paramètres d'ordre en interaction et en particulier l'antiferromagnétisme (AF) dont la dynamique interne se situe directement dans les gammes térahertz (THz) et sous-térahertz. Cependant, en raison du manque d'aimantation nette, le contrôle des distributions AF est très difficile. Dans les multiferroïques, l'ordre AF étant couplé à une polarisation nette, il peut être contrôlé par un champ électrique. Cette possibilité est par conséquent très intéressante pour la manipulation de ce paramètre d'ordre très discret. D'autre part, des percées récentes ont démontré l'effet efficace des courants de spin en interagissant directement avec le paramètre d'ordre AF. Ainsi, le contrôle AF induit par un courant de spin ouvre également de nouvelles perspectives dans la dynamique THz de l'aimantation. Un inconvénient des multiferroïques est que ces textures FE / AF sont difficiles à sonder. La génération de seconde harmonique, une approche d'optique non linéaire, s'est avérée être un moyen puissant et élégant d'imaginer des textures multiferroïques complexes et de démêler les différentes contributions en jeu. Cette technique a été optimisée au CEA / SPEC, où les distributions ferroélectriques et antiferromagnétiques peuvent être étudiées avec une résolution submicronique. Il est maintenant important d'évoluer vers l'étude de la dynamique ultra-rapide de ces matériaux et c'est l'objet du sujet de thèse proposé. Les objectifs de ce travail viseront donc à évaluer l'évolution temporelle de la texture multiferroïque des couches épitaxiales fines de BiFeO3 soumises à différents types de stimuli ultra-rapides tels que des impulsions lumineuses femtosecondes intenses, des impulsions THz et des impulsions de spin ultra-rapides. Cela pourrait ouvrir de nouveaux horizons vers un contrôle ultra-rapide de l'ordre AF, soit tout optique, soit via des courants de spins. Au cours de ce doctorat, l'étudiant sera formé à l'optique laser ultra-rapide et effectuera des expériences d'optique non linéaire ainsi que de la simulation numérique utilisant des codes développés en interne.

  • Titre traduit

    Ultrafast dynamics in multiferroic materials


  • Résumé

    Multiferroïc materials are the focus of an intense research effort due to the significant technological interest of multifunctional materials as well as the rich fundamental physics stemming from the coupling of various order parameters. Among all multiferroïcs, BiFeO3 (BFO) is a material of choice because its two ordering temperatures (ferroelectric FE and AF) are well above room temperature. In addition, a large magneto-electric coupling has been demonstrated in single crystals as well as in thin films. Multiferroïcs are therefore a prototypical playground to understand and master the underlying fundamental mechanisms of different interacting order parameters and in particular antiferromagnetism (AF) whose internal dynamics directly lies the terahertz (THz) and sub-terahertz (sub-THz) ranges. However, due to the lack of net magnetization, controlling AF distributions has been rather challenging. In multiferroïcs, the AF order is coupled to a net polarization and may be controlled by applying an electric field which is consequently very appealing for the manipulation of this interesting yet rather silent order parameter. On the other hand, recent breakthroughs have demonstrated the efficient effect of spin currents in interacting with the AF order parameter. Thus, current-induced AF control also opens new perspectives in Terahertz magnetization dynamics. One downside of multiferroïcs is that these FE/AF textures can be rather challenging to assess. Second harmonic generation, a non-linear optical approach, has proven to be a powerful and elegant way to image complex multiferroïc textures and to untangle the different contributions at play. In CEA/SPEC, we are experienced in assessing ferroelectric and antiferromagnetic distributions with sub-micron resolution. We are now moving to studying ultra-fast dynamics of these materials and this is the object of the proposed PhD subject. The objectives of this work will therefore aim at assessing the time evolution of the multiferroïc texture of BiFeO3 thin epitaxial layers when subjected to various types of ultrafast stimuli such as intense femtosecond light pulses, THz pulses and/or ultrafast spin-current bursts. Indeed, antiferromagnets (AF) are currently in the limelight thanks to recent breakthroughs underlining the effect of spin currents on the AF order parameter. This could open new horizons towards ultrafast control the AF order, either all-optical or using spins. During this PhD, the student will be trained in laser optics and will perform ultrafast time-resolved non-linear optical experiments as well as some simulation work using homemade codes.