Manipulation de l'effet Faraday inverse à l'échelle nanométrique

Manipulating the inverse Faraday effect at the nanoscale

• Auteur / Autrice : Xingyu Yang
• Direction : Mathieu Mivelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Sainctavit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fadi Issam Baida, Mahmoud Mohamed Reda Ahmed Elsawy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Colas des Francs, Rafael Salas-Montiel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Faraday, Effet

Plasmons

Nanoantennes

Magnétooptique

Mots clés libres

Effet Faraday inverse

Nanoantenne plasmonique

Manipulation du champ optique

Courant de dérive

Magnétisme induit par la lumière

Inverse Faraday effect

Plasmonic nanoantenna

Optical field manipulation

Drift current

Light-Induced magnetism

Résumé

Le magnétisme induit par la lumière décrit l'effet par lequel un matériau est magnétisé par une impulsion optique. Dans les matériaux transparents, la magnétisation induite optiquement peut être réalisée directement par la lumière polarisée circulairement. Parfois, dans les matériaux métalliques, ce type de magnétisation existe également en raison du trajet solénoïdal microscopique des électrons entraînés par la lumière polarisée circulairement. Dans certains cas, la lumière crée des courants de dérive continus circulants macroscopiques, qui induisent également une magnétisation continue dans le métal. De manière générale, ces magnétismes induits par la lumière sont connus sous le nom d'effet Faraday inverse. Dans le projet de doctorat, j'ai étudié les courants de dérive induits par la lumière dans plusieurs nanoantennes en or. Nous avons réalisé des champs magnétiques stationnaires amplifiés plasmoniquement grâce à ces courants de dérive. L'étude est basée sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) et les théories correspondantes du magnétisme induit par la lumière. Dans différents sujets de recherche, nous avons réalisé : 1) un champ magnétique stationnaire ultra-rapide, confiné et fort dans une nanoantenne en forme d'œil de taureau. 2) Un champ magnétique stationnaire à travers une polarisation linéaire dans un nanorod. 3) Un skyrmion de type Neel construit par un champ magnétique stationnaire dans un nanoring. Dans ces études, nous avons examiné les propriétés optiques de différentes nanoantennes et expliqué l'origine physique des courants de dérive induits par la lumière et des champs magnétiques stationnaires. Nous avons démontré la méthode pour obtenir des effets Faraday inverses amplifiés plasmoniquement et exploré la possibilité de réaliser une magnétisation par la lumière incidente polarisée linéairement. Enfin, nous avons étendu l'effet Faraday inverse à d'autres domaines de recherche physique, tels que la construction de skyrmions par des champs magnétiques stationnaires à travers l'effet Faraday inverse. L'effet magnétique de la lumière reste un domaine de recherche riche. Mes études pourraient trouver des applications dans de nombreux domaines, y compris les matériaux et dispositifs magnéto-optiques, le stockage de données optiques, les applications biomédicales, la spintronique, l'informatique quantique, la recherche fondamentale en électromagnétisme et la recherche sur les matériaux avancés.

Light-induced magnetism describes the effect where a material is magnetized by an optical pulse. In transparent materials, optically-induced magnetization can be realized directly by circularly polarized light. Sometimes, in metallic materials, this type of magnetization also exists due to the microscopic solenoidal path of electrons driven by circularly polarized light. In some cases, the light creates macroscopic circulating DC drift currents, which also induce DC magnetization in metal. In a broad sense, these light-induced magnetisms are known as the inverse Faraday effect.In the PhD project, I studied light-induced drift currents in multiple gold nanoantennas. We realized plasmonically enhanced stationary magnetic fields through these drift currents. The study is based on the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method and the corresponding light-induced magnetism theories. In different research topics, we have realized: 1) an ultrafast, confined, and strong stationary magnetic field in a bull-eye nanoantenna. 2) A stationary magnetic field through linear polarization in a nanorod. 3) A Neel-type skyrmion constructed by a stationary magnetic field in a nanoring. In these studies, we examined the optical properties of different nanoantennas and explained the physical origin of light-induced drift currents and stationary magnetic fields. We demonstrated the method to achieve plasmonically enhanced inverse Faraday effects and explored the possibility of realizing magnetization through linearly polarized incident light. Finally, we extended the inverse Faraday effect to more physical research areas, such as constructing skyrmions by stationary magnetic fields through the inverse Faraday effect.The magnetic effect of light remains a rich area of research. My studies might find applications in many areas, including magneto-optical materials and devices, optical data storage, biomedical applications, spintronics, quantum computing, fundamental research in electromagnetism, and advanced materials research.