Commutation ultrarapide de l'aimantation dans des multicouches a base de Co, Fe et terres rares

Ultrafast Magnetization Control in Co/RareEarth and Fe/RareEarth multilayers

• Auteur / Autrice : Boonthum Kunyangyuen
• Direction : Michel Hehn
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEPARTEMENT 1 - P2M : Physique de la Matière et des Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Dynamique

Aimantation

Multicouches

Dynamics

Magnetization

Multilayers

Résumé

Le développement de nouvelles stratégies pour effectuer une inversion de magnétisation à des échelles de temps ultra-courtes répond à la demande incessante du futur stockage magnétique en mémoire fonctionnelle ou en éléments logiques non volatiles, économes en énergie et ultrarapides. Historiquement, l'écriture d'informations sur des supports magnétiques était réalisée à l'aide d'un champ magnétique. Cependant, cela est devenu limitant en réduisant la taille des bits en dessous de l'échelle des centaines de nanomètres et en augmentant la vitesse d'écriture au-dessus du GHz. Des solutions alternatives ont émergé en utilisant des courants polarisés en spin dans des structures magnétiques de taille nanométrique, telles que la commutation du couple de transfert de spin (STT) et du couple spin-orbite (SOT). Néanmoins, ces technologies sont limitées en raison de la forte augmentation de la densité de courant requise lorsque la durée de l'impulsion diminue, ce qui exclut leur utilisation potentielle en dessous d'échelles de temps de 100 ps. La solution pour passer sous les picosecondes a été découverte par Bigot et al., qui utilisent une excitation par impulsion laser femtoseconde d'un film mince de Ni conduisant à une démagnétisation inférieure à la picoseconde. Une décennie plus tard, l'inversion complète d'un ferrimagnétique, GdFeCo, par des impulsions laser polarisées a été réalisée pour la première fois expérimentalement, à savoir la commutation entièrement optique (AOS), qui a ensuite été observée sur une grande variété de matériaux magnétiques indépendants et dépendants de l'hélicité lumineuse. Une commutation entièrement optique indépendante de l'hélicité (AO-HIS), capable de commuter en une seule impulsion, a été rapportée dans certains matériaux spécifiques tels que les alliages ferrimagnétiques à base de Gd, les multicouches Tb/Co et l'alliage Heusler ferrimagnétique compensé semi-métallique Mn2RuxGa. En 2019, Avilés-Felix et ses collègues ont signalé la possibilité d'inverser de manière fiable l'aimantation d'une multicouche Co/Tb à coins croisés. En conséquence, la commutation se produit dans une plage très étroite d'épaisseurs de Tb et de Co, dont les durées d'impulsion dépendent du rapport d'épaisseur de Tb et de Co. Ces résultats frappants ouvrent potentiellement la voie à leur intégration dans une jonction tunnel magnétique évolutive. Récemment, une nouvelle fonction de valve de spin spécifique dans la commutation multicouche a été rapportée, en appliquant la propriété métal-isolant (MIT) pour contrôler le courant de spin pour l'inversion de magnétisation à impulsion unique. Le dioxyde de vanadium (VO2) a été sélectionné pour la mise en œuvre en raison de ses propriétés de transition de phase proches de la température ambiante. La transition de phase VO2 qui est déclenchée thermiquement est utilisée pour commuter rapidement la résistance du matériau, contrôlant ainsi le flux du courant de spin dans les multicouches. Au début du doctorat. projet, notre projet consiste à réaliser une étude approfondie concernant l'AOS à impulsion unique de magnétisation dans une grande variété d'échantillons tels que des multicouches magnétiques et des alliages contenant différentes terres rares (RE) (Tb, Dy) et métaux de transition (TM) (Co, Py et Fe). Nous souhaitons étudier si une commutation à bascule très robuste est obtenue lorsque le Tb est remplacé par des alliages ferrimagnétiques d'épaisseurs allant jusqu'à quelques dizaines de nanomètres et pour des impulsions laser aussi longues que 12 ps. Et nous étudierons le processus et la dynamique d'inversion de l'aimantation pour savoir si le mécanisme est similaire à celui observé dans les alliages GdFeCo ou Mn2RuxGa. Ensuite, nous ajouterons une nouvelle fonctionnalité au système avec un courant de spin commutable marche/arrêt en insérant le matériau de transition de phase, VO2, dans les multicouches de la structure de valve de spin GdCo/Cu/VO2/Cu/[Co/Tb]. La nouvelle fonction par matériau à transition de phase introduira une barrière contrôlable pour le transport du courant de spin et une modification de l'absorption optique pour une seule impulsion laser visant à manipuler la magnétisation de la couche [Co/Tb].

The development of new strategies to perform magnetization reversal at ultra-short timescales fits with the ceaseless demand of future magnetic storage for non-volatile, energy efficient and ultrafast functional memory or logic elements. Historically, the writing of information on magnetic media was performed using a magnetic field. However, this became limiting when reducing the bit size below the hundred nanometer scale and increasing the writing speed above the GHz. Alternative solutions have emerged using spin-polarized currents in nanosized magnetic structures like the spin transfer torque (STT) and spin-orbit torque (SOT) switching. Nevertheless, these technologies are limited due to the large increase of the required current density when decreasing the pulse duration, precluding their potential use below 100 ps timescales. The solution to switch under picoseconds has been discovered by Bigot et al., which use a femtosecond laser pulse excitation of a thin Ni film leads to a sub-picosecond demagnetization. A decade later, the full reversal of a ferrimagnet, GdFeCo, by polarized laser pulses was first experimentally realized namely All Optical Switching (AOS), which was later observed on a large variety of magnetic materials which are independent and dependent on the light helicity. All-optical helicity-independent switching (AO-HIS) which can switch in a single pulse has been reported in some specific materials such as Gd-based ferrimagnetic alloys, Tb/Co multilayers and half-metallic compensated ferrimagnetic Heusler alloy Mn2RuxGa. In 2019, Avilés-Felix and co-workers reported the possibility to reliably toggle switch the magnetization of a crossed-wedge Co/Tb multilayer. As a results, the switching occurs in a very narrow range of Tb and Co thicknesses, which pulse durations depending on the Tb and Co thickness ratio. These striking results open potentially the way for their integration into scalable magnetic tunnel junction. Recently, a new function of specific spin valve in multilayers switching were reported, by applying the metal-insulator (MIT) property to control the spin current for single pulse magnetization reversal. The vanadium dioxide (VO2) was selected for the implementation because of its phase transition near room temperature properties. The VO2 phase transition which is thermally trigger is used to rapidly switch the resistance of the material, thus controlling the flow of the spin current in the multilayers. During the early of Ph.D. project, our project is to perform an extensive study regarding single pulse AOS of magnetization in a large variety of samples such as magnetic multilayers and alloys containing different rare earth (RE) (Tb, Dy) and transition metals (TM) (Co, Py and Fe) elements. We wish to investigate if a much robust toggle switching is obtained when Tb is replaced by a ferrimagnetic alloys with thicknesses up to few tens of nanometers and for laser pulses as long as 12 ps. And we will study the magnetization reversal process and dynamics to find out if the mechanism is similar to the one observed in GdFeCo or Mn2RuxGa alloys. Then we will add a new functionality to the system with on/off switchable spin current by inserting the phase transition material, VO2, into the multilayers of GdCo/Cu/VO2/Cu/[Co/Tb] spin valve structure. The new function by phase transition material will introduce a controllable barrier for spin current transport and a change in the optical absorption for a single laser pulse aiming at magnetization manipulation of the [Co/Tb] layer.