Barre 22-23, 3e étage pièce 317, salle de conférences
Ashwin Vythelingum, doctorant dans l’équipe Nanostructures : élaboration, effets quantiques et magnétisme
Surface Acoustic Wave driven ferromagnetic resonance in FeRh
Résumé
Ce travail se situe dans le contexte de l’excitation à distance de la résonance ferromagnétique (FMR), en utilisant des ondes acoustiques de surface (SAWs- Surface Acoustic Waves) générées piézo-électriquement via le couplage magnéto-élastique. Cela offre une voie attractive pour la manipulation des états magnétiques, le basculement de l’aimantation, les études d’interactions non réciproques, les nouvelles architectures spintroniques, et des applications concrètes pour le traitement et le stockage de l’information sur puce. Pour atteindre une résonance SAW-FMR, il est nécessaire d’égaler les fréquences et les vecteurs d’ondes des SAWs et des ondes de spin (Spin Waves- SWs), et d’avoir un couple magnéto-acoustique non-nul agissant sur les moments magnétiques. Généralement, les deux premières conditions sont remplies en : (i) utilisant un axe difficile d’anisotropie magnétique et en y appliquant un champ magnétique externe afin de diminuer les fréquences propres des SWs, ou (ii) en générant des SAWs à haute fréquence dans des échantillons magnétiquement isotropes. Cependant, dans certains cas (absence d’axe difficile magnétique, limitations lithographiques), ces conditions ne peuvent pas être satisfaites. Cette thèse propose une méthode alternative pour abaisser les fréquences propres des SWs en utilisant la coercivité magnétique de films minces de FeRh.
Le FeRh équi-atomique possède une transition de phase magnéto structurale de premier ordre, passant d’une phase antiferromagnétique (AFM) à basse température à une phase ferromagnétique (FM) à haute température. Dans cette étude, nous avons étudié deux échantillons : du FeRh cristallin sur MgO et du FeRh polycristallin sur GaAs. En utilisant un dispositif de dichroïsme magnétique linéaire dans le visible, nous avons caractérisé et confirmé que le film mince de FeRh sur MgO présente bien une anisotropie magnétique biaxiale. Nous avons ensuite mise en évidence la première génération électrique des SAWs sur FeRh. Les interactions SAW-FMR ont été analysées en mesurant les variations d’amplitude et de phase relative (ou de vitesse). Pour l’échantillon de FeRh polycristallin, qui nous a fournis la majorité des résultats, nous avons exploré les interactions SAW-FMR résonantes et non résonantes. Les conditions de résonance ont été atteintes par des balayages de température et/ou de champ magnétique. Pour des balayages en température à champ fixé, nous avons observé que : (i) les variations de phase relatives présentaient une hystérèse similaire aux données de magnétométrie, et (ii) les variations d’amplitude révélaient une relation complexe entre la fréquence et la proportion de FeRh ferromagnétique présente à une température. Des interactions à la fois résonantes et non résonantes ont été documentées. D’autre part, les rampes en champ à température fixes ont révélé une résonance SAW-FMR, avec des croisements de fréquence au champ coercitif. Ces croisements ont été bien modélisés comme une diminution de la fréquence propre des ondes de spin autour de la coercivité, le champ de résonance suivant alors la même dépendance en température que la coercivité. Nous avons aussi fait des mesures de résonance SAW-FMR angulaires, c.-à-d. en variant la direction du champ par rapport à la direction de propagation des SAWs. Des résultats inattendus ont été révélé. Premièrement, nous avons mesuré des résonances à tout angle- c’est-à-dire que le couple magnéto-acoustique n’est jamais nul, et nous avons constaté la présence de doubles champs de résonance à certains angles. Afin de comprendre ces comportements, nous avons développé un modèle numérique en se basant sur le modèle du rétro-interaction de la SAW sur la couche magnétique. Enfin, nous avons amélioré le dispositif expérimental existant qui permettait la génération électrique.
Enfin, nous avons amélioré le dispositif expérimental existant qui permettait la génération électrique et la détection synchronisée optique des SAWs. Il fonctionne désormais à quelconque fréquence, et n’est plus limité aux multiples de la fréquence de répétition du laser.
Abstract
Remote excitation of ferromagnetic resonance (FMR) via magneto-elasticity, using piezoelectrically generated surface acoustic waves (SAWs), provides an attractive route for the manipulation of magnetic states, magnetisation switching, non-reciprocal interactions, novel spintronic architectures, and offers realistic applications for on-chip information processing and storage. To achieve resonant SAW-FMR, the frequency and wave-vector of the SAW must match those of the Spin-Wave (SW), and there must be a non-zero magneto-elastic torque acting on the magnetic moments.
Typically, the first two conditions are met by: (i) using a hard axis of magnetic anisotropy and applying an external magnetic field to soften the SW eigen-frequencies, or (ii) by generating high frequency SAWs in magnetically isotropic samples. However, in certain scenarios (absence of a magnetic hard-axis, lithographic limitations in achieving high SAW frequencies), these conditions cannot be fulfilled. This thesis proposes an alternative method to soften the SW eigen-frequencies by using the magnetic coercivity of FeRh thin films.
FeRh, for near equi-atomic concentration, undergoes a first-order magneto-structural phase transition from a low-temperature antiferromagnetic (AFM) phase to a high-temperature ferromagnetic (FM) phase. We take advantage of the strong variation of the coercivity in the region of phase coexistence. This thesis investigates two samples: crystalline FeRh on MgO and polycrystalline FeRh on GaAs. Using magneto-linear dichroism (MLD) in the visible range, we characterised and confirmed that the FeRh thin film on MgO exhibits a biaxial magnetic anisotropy. Despite that, most results were obtained on FeRh/GaAs. We developed the first implementation of electrically generated SAWs on FeRh. The interaction of the SAW with the magnetic FeRh layer was analysed by measuring the variations in SAW amplitude and relative phase (or velocity). Both resonant and non-resonant SAW-FeRh interactions were explored. Using fixed-field temperature ramps across the AFM-FM transition, we found that the relative phase variations exhibited a hysteresis similar to the temperature-dependent magnetisation. By modelling the SAW propagation, using the elastic constants obtained from Brillouin light scattering and picosecond acoustics, we showed that this hysteresis originates from a difference in SAW velocities between the AFM and FM phases. The amplitude variation revealed a complex relationship depending on the frequency and the FeRh FM phase fraction. Fixed-temperature field ramps, on the other hand, revealed SAW-FMR resonances. By modelling this interaction, it was shown that this results from the softening of SW eigen-frequencies at the coercivity. The local coercivity was precisely measured using Longitudinal Magneto-Optical Kerr (LMOKE) Microscopy and observed to match the resonance field value. This SAW-FMR resonance was followed across the phase transition and showed the same temperature dependency as the coercivity. Angular SAW-FMR measurements, i.e. measurements with varying angle between the SAW propagation direction and the magnetic field, revealed unexpected results. The magneto-elastic interaction is non-zero at all measured angles, while some angles exhibit double resonance field values. A numerical model, based on the SAW back-action, was developed to study both the origin of the angular dependency and the double resonance field values.
Additionally, we improved the existing experimental setup, coupling the electrical generation of SAWs to the synchronised optical detection of the dynamical magneto-elastic interaction. This synchronisation is now ensured by a Master generator and two slaves, leading to SAW excitation no longer limited by the laser repetition rate.
Jury
- Laurent Ranno Institut Néel – Université Grenoble Alpes – Rapporteur
- Sami Hage-Ali Institut Jean Lamour – Université de Lorraine – Rapporteur
- Véronique Dupuis Institut Lumière Matière – Université Claude Bernard Lyon 1 – Examinateur
- Salim Mourad Cherif – Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux – Université Sorbonne Paris Nord – Examinateur
- Laura Thevenard Institut des Nanosciences de Paris – Sorbonne Université – Directrice de thèse
- Catherine Gourdon Institut des Nanosciences de Paris -Sorbonne Université – Co-Directrice de thèse
