Commutation de l'aimantation à l'aide d'une impulsion laser unique dans des multicouches à base de RE sans Gd

Single laser pulse switching in RE-based multilayers without Gd

• Auteur / Autrice : Yi Peng
• Direction : Michel Hehn, Stéphane Mangin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/11/2023
• 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 : Liliana-Daniela Buda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Hehn, Stéphane Mangin, Christine Boeglin, André Thiaville, Michel Viret
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christine Boeglin, André Thiaville

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commutation, Théorie de la

Dynamique ultra-rapide

Lasers femtoseconde

Dynamique d'aimantation

Spintronique

Mots clés libres

Spintronique

Ultrarapide

Toute la commutation optique

Ultrafast

All optical switching

Spintronics

Résumé

Le domaine émergent de l'électronique à spin ultra-rapide intègre les idées et les concepts de la magnéto-optique et de l'opto-magnétisme avec les phénomènes de transport de spin, complétés par les possibilités offertes par la photonique pour une manipulation ultra-rapide à faible dissipation et le transport de l'information. La découverte de la commutation de magnétisation déterministe ultra-rapide entièrement optique a ouvert de nouvelles possibilités pour la manipulation de la magnétisationdans les dispositifs à l'aide d'impulsions laser femtosecondes. Le HI-AOS est principalement observé dans des alliages ou des multicouches ferrimagnétiques à base de terres rares (RE) à base de gadolinium ou de métaux de transition (TM). Il a récemment été observé dans des matériaux sans gadolinium, tels que le ferrimagnétique Mn2RuxGa et la multicouche ferrimagnétique [Tb/Co]N. Dans ce travail, nous avons cherché à trouver de nouveaux matériaux capables de présenter une commutation optique entièrement optique (HI-AOS) indépendante de l'hélicité en un seul tir, et à comprendre le comportement de commutation, le mécanisme fondamental et le processus de commutation dans différents matériaux et structures. Par conséquent, trois principales parties de travail ont été réalisées dans cette thèse:• Étude de l'alliage CoLu, où Lu a les mêmes propriétés que Gd avec un faible couplage spin-orbite (L=0). Une anisotropie magnétique perpendiculaire peut être obtenue dans 3 nm d'alliage Co100-xLux avec x variant entre 22% et 42%. De plus, des mesures de commutation en un seul tir dans un film complet et un réseau de points de 3 m montrent qu'aucune commutation déterministe de la magnétisation ne peut être observée. Les résultats peuvent être attribués à la faible magnétisation et, par conséquent, à la faible quantité de moment angulaire transportée par l'élément Lu selon des simulations atomistiques. • Commutation en un seul tir dans des multicouches [RE/TM]N, où la couche RE peut être un métal des terres rares avec un couplage spin-orbite plus important, comme Tb et Dy, et leur alliage avec des métaux de transition. À partir de multicouches [Tb/Co]5 and [Tb/Fe]4, la commutation en un seul tira été étendueà diverses multicouches, bicouches et tricouches, en faisant un phénomène général dans les multicouches à base de Tb et de Dy, qui ont des propriétés sperimagnétiques couplées à des métaux transitoires. De manière intéressante, une structure complexe de cercles de directions de magnétisation opposées a été observée à haute énergie. Selon les mesures de pompage-sonde, nous avons essayé d'expliquer le mécanisme de commutation et les structures annulaires, qui pourraient être un mécanisme de précession de réorientation dans le plan. • Commutation en un seul tir dans des multicouches [Co/Ho]N, qui est un nouveau système de matériaux avec une attente de couplage spin-orbite plus élevé par rapport à Tb et Dy. Étonnamment, même si le couplage spin-orbite dans Ho (comme c'est le cas dans Tb et Dy) est plus important que celui de Gd, ce qui devrait augmenter la dissipation du moment angulaire dans la structure cristalline, le diagramme état de durée/fluence des impulsions est proche de celui du système à base de Gd. L'étude de ce nouveau système pourrait contribuer à combler les processus de retournement en un seul tir observés, d'une part, dans les hétérostructures à base de Gd, d'autre part, dans celles à base de Tb ou de Dy.

The emerging field of ultrafast spin electronics integrates the ideas and concepts of magneto-optics and opto-magnetism with spin transport phenomena, supplemented with the possibilities offered by photonics for ultrafast low-dissipative manipulation and transport of information. The discovery of all-optical ultra-fast deterministic magnetization switching has opened up new possibilities for manipulating magnetization in devices using femtosecond laser pulses. HI-AOS is predominantly observed in Gadolinium-based Rare Earth (RE) / Transition Metals (TM) ferrimagnetic alloys or multilayers. Notably, it has recently been witnessed in materials without Gadolinium, such as the ferrimagnet Mn2RuxGa and the ferrimagnetic multilayer [Tb/Co]N. In this work, we tried to find new materials that can show single-shot helicity-independent all-optical switching (HI-AOS) and to understand the switching behavior, fundamental mechanism, and switching process in different materials and structures. Therefore, three main parts of work have been done in this thesis:• Study the CoLu alloy, where Lu has the same properties as Gd with small spin-orbit coupling (L=0). Perpendicular magnetic anisotropy can be obtained in 3 nm of Co100-xLux alloy with x varies between 22% and 42%. Besides, single-shot switching measurements in full film and 3 μm dots array show that nodeterministic switching of the magnetization can be observed. The results can be attributed to the low magnetization and, consequently, too-small angular momentum carried by the Lu element by atomistic simulations. • Single-shot switching in [RE/TM]N multilayers, where the RE layer could be rare-earth metal with larger spin-orbit coupling such as Tb and Dy, and their alloy with transition metals. Starting with [Tb/Co]5 and [Tb/Fe]4 multilayers, the single-shot switching has been extended to various multilayers, bilayers, and trilayers, making it a general phenomenon in Tb- and Dy-based multilayers, which have sperimagnetic properties coupled with transient metals. Interestingly, a complex structure of rings of opposite magnetization directions has been observed at high fluence. According to the pump-probe measurements,We tried to explain the switching mechanism and ring structures, which could be an in-plane reorientation precession mechanism. • Single-shot switching in [Co/Ho]N multilayers, which is a novel material system with the expectation of higher spin-orbit coupling compared to Tb and Dy. Surprisingly, even though the spin-orbit coupling in Ho ( as it is in Tb and Dy) is larger than that of in Gd, which should increase the dissipation of angular momentum to the lattice, the pulse duration/fluence state diagram is close to the Gd-based systems. Studying this new system could help bridge the single pulse reversal processes observed, on the one hand, in Gd-based, on the other hand, in the Tb or Dy-based heterostructures