Ultrafast magnetization dynamics of magnetic nanostructures

by Hassan Kesserwan

Doctoral thesis in Physique de la matière condensée

Under the supervision of Jean-Yves Bigot.

defended on 2011

in Strasbourg .

Abstract

Divided in two parts, this PhD thesis concerns the magnetization dynamics of magnetic nanoparticles. In the first part, we have described a detailed experimental study of the magnetization dynamics in core/shell CoPt nanoparticles. Towards that goal, we have performed Time Resolved Magneto-Optical Effect measurements using a femtosecond pump and probe set-up with pulse durations and wavelengths : pump 150 fs/400 nm and probe 150 fs/800 nm probe. We studied the different magneto-dynamical processes taking place on short time scales such as : the ultrafast demagnetization and the precession of the magnetization vector. The obtained results indicate a possibility of inducing a supra-crystalline ordering of the nanoparticles due to a mild laser annealing. We showed that there is an important influence of the thermal annealing on the magnetic properties of the nanoparticles. For example, it leads to a magnetic phase transition form super-paramagnetic to ferromagnetic above the room temperature. This ferromagnetism manifested itself as an increase in the magnetic anisotropy of the nanoparticles and in the precession of the magnetization vector induced by the pump pulses. The second part is devoted to the numerical simulations of the magnetization reversal in isolated and interacting nanoparticles. In isolated nanoparticles, the relaxation times follow the Arrhenius law provided by the Néel-Brown’s model. To account for the magnetic dipolar interaction, we have introduced a simple and effective model based on the mean field approximation. In general, we have observed deviations from the Arrhenius law, and showed that the dipolar interaction accelerates the reversal process.

keywords

• Nanoparticules
• Aimantation

Alternative Title

Dynamique d’aimantation ultra-rapide de nanostructures magnétiques

Abstract

Divisé en deux parties, cette thèse décrit la dynamique d'aimantation de nanoparticules magnétiques. Dans la première partie, nous avons décrit une étude expérimentale détaillée de la dynamique d'aimantation dans des nanoparticules de CoPt sous forme de coeur/coquille. Pour cela, nous avons effectué des mesures d’effet Kerr magnéto-optique résolues en temps utilisant une pompe de 150 fs à 400 nm et une sonde de 150 fs à 800 nm. Nous avons étudié les différents processus qui ont lieu sur des échelles de temps bref : comme la démagnétisation ultrarapide et la précession du vecteur d’aimantation. Les résultats obtenus indiquent une possibilité d'induire un ordre supra-cristallin des nanoparticules par un recuit doux effectué par le faisceau laser absorbé par les nanoparticules. Nous avons montré qu’il y a une influence importante du recuit thermique sur les propriétés magnétiques des nanoparticules. Par exemple, ce recuit induit une transition de phase magnétique de super paramagnétique à ferromagnétique au dessus de la température ambiante. Ce ferromagnétisme se manifeste comme une augmentation de l’anisotropie magnétique des nanoparticules et par une précession du vecteur d’aimantation. La deuxième partie est consacrée à la simulation numérique des processus de renversement d'aimantation dans des nanoparticules isolées et en interaction. Dans les nanoparticules isolées, les temps de relaxation suivent la loi d'Arrhenius donnée par le modèle de Néel-Brown. Pour prendre en compte l'interaction magnétique dipolaire, nous avons introduit un modèle simple et efficace basé sur l'approximation de champ moyen. D’une manière générale, nous avons montré que l'interaction dipolaire accélère le processus de renversement d’aimantation.