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


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  • Membres permanents : Mauricio Sacchi, Stéphane Chenot, Mahmoud Eddrief, Franck Vidal, Yunlin Zheng

L’épitaxie permet le contrôle des propriétés magnétiques de systèmes en couches minces et le développement de nouvelles hétérostructures hybrides. Nos recherches portent sur des systèmes intégrant des matériaux à transition de phase magnéto-structurale qui permettent la mise au point de stratégies de contrôle de l’aimantation sans champ magnétique. D’un point de vue plus fondamental, les mécanismes de transition de phase dans ces systèmes à fort couplage entre degrés de liberté structuraux et magnétiques font aussi l’objet d’études fines. Ces dernières reposent en grande partie sur les opportunités offertes par les X-FEL, sources de rayonnement X de dernière génération.

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 [1-4] et FeRh [5,6]. 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 [2], soit par l’absorption d’une unique impulsion laser fs [1]. 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 [3,4].

 

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 [4]. 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 [3].

Fait marquant

Dynamique structurale ultra-rapide le long d’un chemin de transition de phase

Principales collaborations

  • LCPMR (SU)
  • Synchrotron SOLEIL
  • Sincrotrone Trieste

Publications récentes

  1. C. Spezzani et al., 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
  2. C. Spezzani, et al., 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
  3. L. Lounis et al., 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
  4. F. Vidal et al., Ultrafast Structural Dynamics along the βγ Phase Transition Path in MnAs, Phys. Rev. Lett. 122, 145702 (2019).https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02096578
  5. S. Günther et al., Testing spin-flip scattering as a possible mechanism of ultrafast demagnetization in ordered magnetic alloys, Rev. B 90, 180407(R) (2014).https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01240508
  6. L. Lounis et al., Temperature and field dependent magnetization in a sub-μm patterned Co/FeRh film studied by resonant x-ray scattering. Phys. D : Appl. Phys. 49, 205003 (2016).https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-01323817