Amphi Charpak, tour 22 R-d-C
Roméo Zapata, doctorant dans l’équipe Nanophotonique et optique quantique
Optical generation of magnetic fields at the nanometric scale
Abstract
The advent of ultrafast laser technologies has significantly impacted our understanding of light matter interactions, unveiling new physical phenomena with groundbreaking implications for the development of ultra-high-speed magnetic storage devices. To push the boundaries of magnetic storage, researchers have focused on the Inverse Faraday Effect (IFE), a complex light matter interaction that enables ultrafast optical magnetization of materials. However, the study of this phenomenon in magnetic media requires a deep understanding of the interactions be tween light and the highly correlated electronic systems, which presents a significant challenge.
Our research addresses this challenge by investigating IFE in non-magnetic metals, where the induced magnetization can be attributed to a classical generation of currents via nonlinear optical forces, also known as ponderomotive forces. Building upon this theoretical understanding, we developed a numerical approach to model IFE in metallic nanostructures, exploiting their unique plasmonic properties to manipulate light at the nanometric scale. This approach en ables the optical control of currents that we could directly measure using a novel experimental method. This breakthrough not only addressed a key limitation in detecting IFE, but also unveiled the potential application in ultra-high-speed optoelectronic devices. Subsequently, we applied this model to coaxial plasmonic nanoantennas designed to confine light and maxi mize the magnetic response. We critically evaluated the feasibility of detecting this nanoscale magnetization using Magnetic Force Microscopy (MFM).
Our findings highlight the intrinsic challenges of this technique-specifically the competition with opto-mechanical artifacts-and conclude by proposing a promising alternative: the quantification of the IFE magnetic field via the Lorentz force using Photo-Electron Emission Microscopy (PEEM).
Résumé
L’avènement des technologies laser ultrarapide a profondément transformé notre compréhension des interactions lumière-matière, revelant de nouveaux phénomènes physiques avec des implications majeures dans le développement de dispositifs de stockage magnétique ultra rapide. Afin de repousser les limites du stockage magnétique, les chercheurs se sont concentrés sur l’Effet Faraday Inverse (EFI), une interaction lumière-matière complexe permettant une magnétisation optique ultrarapide des matériaux. Cependant, l’étude de ce phénomène dans les milieux magnétiques exige une comprehension approfondie des interactions entre la lumière et des systèmes électroniques fortement corrélés, ce qui représente un défi de taille majeure.
Nos recherches s’attaquent à ce défi en étudiant l’EFI dans les métaux non magnétiques, ou la magnétisation induite peut être attribuée à une génération classique de courants via des forces optiques non linéaires, également appelées forces pondéromotrices. A partir de cette compréhension théorique, nous avons développé une approche numérique pour modéliser l’EFI dans des nanostructures métalliques, en exploitant leurs propriétés plasmoniques uniques pour manipuler la lumière à l’échelle nanométrique. Cette approche permet le contrôle optique des courants, que nous avons pu mesurer directement grâce à une nouvelle méthode expérimentale.
Cette avancée majeure a non seulement permis de surmonter une limitation essentielle de la détection de l’effet Faraday inverse (EFI), mais a aussi révelé son potentiel d’application dans les dispositifs optoélectroniques ultrarapides. Nous avons ensuite appliqué ce modele a des nanoantennes plasmoniques coaxiales conçues pour confiner la lumière et maximiser la réponse magnétique. Nous avons évalué de manière critique la faisabilité de la détection de cette magnétisation à l’échelle nanométrique à l’aide de la microscopie à force magnétique (MFM).
Nos conclusions soulignent les défis intrinsèques de cette technique, en particulier la concurrence avec les artefacts opto-mécaniques, et concluent en proposantt une alternative prometteuse : la quantification du champ magnétique EFI via la force de Lorentz à l’aide de la microscopie à émission photoélectronique (MEPE).
Jury
- CUCHE Aurélien (Chargé de recherche – CEMES) Rapporteur
- PLAIN Jérôme (Professeur – L2n) Rapporteur
- BOUHELIER Alexandre (Directeur de recherche – ICB) Examinateur
- LEREU Aude (Directrice de recherche – Institut Fresnel) Examinatrice
- JUHIN Amélie (Chargée de recherche – IMPMC) Examinatrice
- MIVELLE Mathieu (Chargé de recherche – INSP) Directeur de thèse
