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Nanostructures : élaboration, effets quantiques et magnétisme – Dynamique magnétique photoinduite


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Equipe

  • Membres permanents : Maurizio Sacchi, Stéphane Chenot, Mahmoud Eddrief, Franck Vidal, Marcel Hennes, Yunlin Zheng
  • Doctorant(e)s : Carlos Cortéz, Moundji Hemili (bourse iMAT, co-encadrement LCPMR)

Nos recherches portent sur le contrôle de l’aimantation dans des couches minces et nanostructures magnétiques en utilisant des impulsions optiques ultracourtes. Nous étudions des systèmes intégrant des matériaux à transition de phase magnéto-structurale (MnAs, FeRh), des nanostructures de très faible taille enrobées dans différentes matrices, des alliages ferrimagnétiques (CoTb, FeTb) et des couches ferromagnétiques présentant une anisotropie hors plan (Co/Pt). Nos expériences reposent d’une part sur les opportunités offertes par les X-FEL, sources de rayonnement X de dernière génération, d’autre part sur des techniques de mesure (tr-MOKE, XRMS) utilisant des sources de laboratoire plus compactes.

Les lignes de recherche suivantes sont actuellement explorées :

  • Renversement non-inductif de l’aimantation. Préparation et caractérisation de systèmes magnétiques hybrides à base de MnAs et FeRh. Le renversement de l’aimantation d’une couche additionnelle (Fe ou Co) peut être obtenu par le contrôle du champ dipolaire de surface, soit par voie thermique, soit par l’absorption d’une unique impulsion laser fs. La dynamique est étudiée par diffusion et diffraction X en utilisant les sources synchrotron, HHG et FEL.

Figure 1 : Gauche : Représentation schématique du processus de renversement de l’aimantation assisté par la température dans Fe/MnAs/GaAs(001). Droite : renversement déclenché par impulsion laser unique.

 

  • MnAs : dynamique structurale étudiée par diffraction résolue en temps, pompe-laser sonde-X. Corrélation entre évolution de la structure et du magnétisme pour le renversement non-inductif. Phonons et transitions de phase ultra-rapides.

Figure 2 : (a) Mesures effectuées au FEL LCLS, avec une résolution temporelle de 50 fs. Les oscillations de l’intensité diffractée observées, pour plusieurs réflexions, jusqu’à 2 ps après l’excitation laser et les calculs correspondants (b) mettent en évidence un mode phononique mous de fréquence THz. Les mouvements atomiques dans la maille orthorhombique de β-MnAs se font le long du chemin qui réduit la distorsion (c) et amène vers la structure hexagonale (phases α et γ). Ces oscillations précèdent une séquence de transitions de phase qui s’étale sur plusieurs dizaines de ps (d). Les mesures pompe-sonde effectuées à CRISTAL (SOLEIL) avec une résolution temporelle ~80 ps (e) permettent enfin de suivre sur 1 μs la dynamique structurale pendant le retour à l’équilibre, après l’excitation laser.

 

  • Dynamique d’aimantation photoinduite dans des structures magnétiques de taille nanométrique : Nous étudions l’impact d’impulsions optiques femtoseconde sur l’aimantation et l’anisotropie de couches minces et de nanostructures ferro- et ferrimagnétiques. Des expériences de diffusion magnétique (XRMS) de type pompe IR – sonde XUV nous permettent d’analyser l’évolution de la texture magnétique avec une sélectivité chimique et une résolution spatiale nanométrique.


Figure 3 : a) Multicouches Co/Pt. L’anisotropie magnétique perpendiculaire au plan de la couche donne naissance à des domaines de taille nanométrique. Des expériences pompe-sonde réalisées à l’aide d’une source HHG permettent d’étudier l’évolution de l’aimantation avec une sélectivité chimique (bleu : Co, orange : Pt) et de mettre en évidence un décalage de t0 d’une vingtaine de fs. b) Nanofils ferromagnétiques enrobés dans une matrice de SrTiO3 .. Evolution de la désaimantation photoinduite en fonction de la fluence d’excitation optique (tr-MOKE) : l’amplitude de désaimantation dépend de la polarisation de l’impulsion de pompe.

Principales collaborations

  • LCPMR
  • LOA
  • Synchrotron SOLEIL
  • Sincrotrone Trieste

Publications récentes

  • M. Hennes, G. Lambert, V. Chardonnet, R. Delaunay, G. S. Chiuzbăian, E. Jal, B. Vodungbo, Element-selective analysis of ultrafast demagnetization in Co/Pt multilayers exhibiting large perpendicular magnetic anisotropy (In Special Collection: Ultrafast and Terahertz Spintronics, invited), Appl. Phys. Lett. 120, 072408 (2022) https://hal.science/hal-03639146/document
  • F. Vidal, Y. Zheng, L. Lounis, L. Coelho, C. Laulhé, C. Spezzani, A. Ciavardini, H. Popescu, E. Ferrari, E. Allaria, J. Ma, H. Wang, J. Zhao, M. Chollet, M. Seaberg, R. Alonso-Mori, J. M. Glownia, M. Eddrief, and M. Sacchi, Ultrafast Structural Dynamics along the β−γ Phase Transition Path in MnAs, Phys. Rev. Lett. 122, 145702 (2019). https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02096578
  • L. Lounis , Y. Zheng , C. Spezzani , E. Ferrari , M. Edrrief , A. Ciavardini , H. Popescu, E. Allaria , C. Laulhé , F. Vidal , M. Sacchi, Dynamics of laser induced magneto-structural phase transitions in MnAs/GaAs(001) epitaxial layers IEEE Trans. Mag. 53, 8205004 (2017) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02106193
  • L. Lounis, C. Spezzani, R. Delaunay, F. Fortuna, M. Obstbaum, S. Günther, C. H. Back, H. Popescu, F. Vidal and M. Sacchi, Temperature and field dependent magnetization in a sub-μm patterned Co/FeRh film studied by resonant x-ray scattering. J. Phys. D : Appl. Phys. 49, 205003 (2016) https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-01323817
  • C. Spezzani, F. Vidal, R. Delaunay, M. Eddrief, M. Marangolo, V. H. Etgens, H. Popescu and M. Sacchi, Thermally induced magnetization switching in Fe/MnAs/GaAs(001) : selectable magnetic configurations by temperature and field control, Scientific Rep. 5, 8120 (2015) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01223188
  • C. Spezzani, E. Ferrari, E. Allaria, F. Vidal, A. Ciavardini, R. Delaunay, F. Capotondi, E. Pedersoli, M. Coreno, C. Svetina, L. Raimondi, M. Zangrando, R. Ivanov, I. Nikolov, A. Demidovich, M. B. Danailov, H. Popescu, M. Eddrief, G. De Ninno, M. Kiskinova, and M. Sacchi, Magnetization and microstructure dynamics in Fe/MnAs/GaAs(001): Fe magnetization reversal by a femtosecond laser pulse, Phys. Rev. Lett. 113, 247202 (2014) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01240513
  • S. Günther, C. Spezzani, R. Ciprian, C. Grazioli, B. Ressel, M. Coreno, L. Poletto, P. Miotti, M. Sacchi, G. Panaccione, V. Uhlíř, E. E. Fullerton, G. De Ninno, and C. H. Back, Testing spin-flip scattering as a possible mechanism of ultrafast demagnetization in ordered magnetic alloys, Phys. Rev. B 90, 180407(R) (2014) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01240508