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Photons, magnons et technologies quantiques – Spins et magnétisme, magnéto-acoustique


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  • Membres permanents : Catherine Gourdon, Laura Thevenard

 

Dans les matériaux ferromagnétiques métalliques ou semiconducteurs, nous avons développé différentes approches pour manipuler l’aimantation de façon non-inductive, exploitant en particulier le couplage avec des ondes acoustiques. Leur nature ondulatoire et leur faible atténuation ouvrent des perspectives intéressantes pour la magnonique.

Nous nous intéressons principalement aux semiconducteurs magnétiques dilués (épitaxie au C2N par A. Lemaître), matériaux phares dans l’électronique de spin car ils pourraient adresser à la fois les aspects « logique » et « mémoire » d’un composant.

3 résultats récents :

  1. Contrôle magnéto-élastique de l’aimantation
  2. Contrôle de l’aimantation par des impulsions laser femtosecondes
  3. Dynamique de parois de domaines

 

1. Contrôle magnéto-élastique de l’aimantation

En collaboration avec Jean-Yves Duquesne de l’équipe Acoustique pour les Nanosciences, nous excitons électriquement des ondes acoustiques de surface (SAW) par peignes interdigités, afin de contrôler la dynamique de l’aimantation. Leur nature ondulatoire et leur faible atténuation ouvrent des perspectives intéressantes pour la magnonique, voir par exemple notre contribution à la « 2019 Surface Acoustic Wave Roadmap » [JPhysD19]. Nos derniers résultats incluent :

La mise en évidence expérimentale qu’une onde acoustique de surface (SAW) se déplaçant sur une couche fine de (Ga,Mn)As ou (Ga,Mn)(As,P) se voit absorbée de façon résonante lorsque sa fréquence est égale à celle de la précession d’aimantation (SAW FMR, [PRB14],[JPhysConMat18]), et la détection dans le domaine temporel de la précession d’aimantation qui en résulte [PRApp18] . Des conditions bien choisies mettent en lumière des non-linéarités magnétiques :

dans cette configuration résonante, la mise en évidence expérimentale du renversement precessionnel de cette couche [PRB16prec] et [JPhysConMat18] , pour laquelle nous avions prédit les conditions optimales [PRB13], ainsi que le renversement en champ nul sous acoustique [PRevApp19] :

la mise en évidence d’une diminution de moitié de la coercivité d’une couche aimantée hors plan par une onde acoustique, interprétée comme une baisse transitoire de l’énergie de nucléation de paroi de domaines [PRB16nuc] :

l’estimation expérimentale de l’amplitude de l’onde acoustique de surface – collab. B. Croset (INSP) et L. Largeau (C2N)

L’amplitude de l’onde acoustique est un paramètre crucial pour le renversement d’aimantation. Nous avons donc utilisé deux approches complémentaires pour l’estimer, avec un parfait accord entre les deux [JAP17],[JAC16] :

2. Contrôle de l’aimantation par des impulsions laser femtosecondes

Il s’agit de manipuler l’aimantation sur des temps plus courts et par des méthodes plus locales qu’avec un champ magnétique. Pour cela nous utiliserons une expérience « pompe-sonde » femtoseconde d’effet Kerr résolu en temps, qui permet de suivre la dynamique d’aimantation sur quelques ns. L’impulsion pompe a pour effet de mettre en précession l’aimantation.

Excitation d’ondes de spin stationnaires

Dans le cas où plusieurs ondes de spins sont excitées, on peut extraire de l’écart entre les fréquences la constante d’échange du matériau [APL15].

Légende : Signal dynamique expérimental typique obtenu par effet Kerr résolu en temps dans GaMnAsP (T=12 K).

 

Détection d’ondes de spin stationnaires : illusion magnéto-optique

Le mode fondamental a une amplitude uniforme dans la couche. Celle du 1er mode excité est sinusoidale. Son intégrale est nulle, et ne devrait donc donner aucun signal magnéto-optique. Nous avons mis en évidence que c’est le décalage de phase optique subit par la lumière pénétrant dans la couche qui permet au final son observation. Une conséquence est l’observation étonnante que les 2 modes semblent « tourner » en sens opposé [PRB17-sw].

(a) Différents modes susceptibles d’être excités. (b) Reconstruction dynamique de la trajectoire des 2 modes observés. Une illusion magnéto-optique est à l’origine du sens de giration différent.

Estimation quantitative de la hausse de température stationnaire induite par la pompe

L’étude de cycles d’hystérésis par dichroïsme linéaire magnétique en fonction de la température et de la puissance de la pompe a par ailleurs permis une estimation quantitative de la hausse de température stationnaire induite par la pompe, et de son gradient spatial [JAP16].

a) Profil radial de la hausse de température induite par une pompe de fluence 17.5 µJ/cm² : expérience (symboles) et modélisation tenant compte d’une résistance thermique de contact (ligne continue bleue). (b) Calcul analytique du profil thermique radial et dans l’épaisseur de la couche. [JAP16]

 

3. Dynamique de parois de domaines

Propagation sous courant : effets spin-transfert et spin-orbite

La propagation de paroi sous courant s’est enrichie ces dernières années de couples induits par des effets spin-orbites, provenant d’une contribution interfaciale Rashba, de l’interaction Dzyaloshinkii-Moriya ou de l’effet Hall de spin. Dans GaMnAs, les effets spin-orbites ont une origine de volume (Dresselhaus), et de surface (Rashba). Nous avons mis ces modèles à l’épreuve dans une géométrie peu étudiée : des pistes de GaMnAs aimantées de façon uniaxe dans le plan, et structurées soit parallèlement (configuration C//), soit perpendiculairement (configuration C┴) à l’axe facile (Fig. 1a).

Légende : (a) Deux configurations de pistes étudiées, avec le champ effectif spin-orbite indiqué en flèche évidée. (b) Vitesse de paroi sous champ + courant (piste de 2µm, C//) ou courant seul (piste de 10 µm, C┴ ). (c) Piste C// de 2µm observée en microscopie Kerr longitudinal, trois impulsions de courant successives (B=11 G, T=40K, J=24.5 GA/m²) [PRB17-dwp]

Deux résultats importants ont été mis en évidence de façon robuste :

  • dans les pistes C//, les parois se déplacent dans le sens du courant de trous, contrairement à ce qui est attendu par le transfert de spin.
  • dans les pistes C┴, cette direction de propagation rentre en compétition avec celle imposée par le champ effectif spin-orbite parallèle à l’aimantation dans les domaines, qui agit comme un champ extérieur.
  • dans les deux types de pistes, les mobilités sous courant sont très élevées, jusqu’à dix fois plus grandes que celles observées dans GaMnAs aimanté hors plan.

Le couple de transfert de spin habituel et les champs spin-orbite Rashba et Dresselhaus ne peuvent expliquer de façon satisfaisante nos observations expérimentales. Nous suggérons donc qu’il puisse s’agir d’une exacerbation de l’effet de transfert de spin par le couplage spin-orbite natif du GaAs, comme prédit par Nguyen et al. et Garate et al..

Propagation sous champ

  • vitesses de propagation très rapides (500 m/s) dans des couches de GaMnAs aimantées dans le plan [PRB12]

Légende : Propagation de parois de domaines sous champ (microbobine in-situ) dans une couche de GaMnAs de 50nm aimantée dans le plan. Microscopie par effet Kerr longitudinal [PRB12]

 

  • élaboration d’un modèle semi-analytique permettant d’expliquer les anomalies de vitesse de propagation de paroi comme résultant de l’excitation de modes de flexion de paroi [PRB13], [PRB11]

collaboration Université de Lettonie et Laboratoire de Physique des Solides (Orsay)

  • propagation de parois dans le régime hydrodynamique dans des couches de GaMnAs aimantées perpendiculaire au plan [PRB08]

Étude de domaines statiques pour déterminer les paramètres micromagnétiques

  • mise en évidence d’une légère augmentation de la constante d’échange de GaMnAsP suite à l’introduction de Phosphore [PRB10_]
  • détermination de la constante d’échange et de la largeur de paroi de domaine dans GaMnAs grâce à la microscopie Kerr [PRB07]

 

Principales techniques expérimentales

 

Collaborations

  • Groupes de M. Maaref à l’Institut Préparatoire aux Études Scientifiques et Technologiques à La Marsa, et de K. Boujdaria à la Faculté des Sciences de Bizerte (Tunisie) : caractérisation magnétique de couches de GaMnAs(P) [JMMM13], [JMMM15] et calculs de paramètres magnétiques en méthode kp [PRB13], [JAP12]
  • L. Steren et M. Tortarolo, dans le cadre du LIFAN (Laboratoire International Franco-argentin en Nanosciences) : propagation de parois de domaines dans MnAs [APL12]
  • A. Cebers, Université de Lettonie : études théoriques autour des phénomènes de résonances de parois de domaines [PRB13]

 

Financements

  • PHC Utique

 

Publications

  • [PRB20] Time- and space-resolved nonlinear magnetoacoustic dynamics, M. Kraimia, P. Kuszewski, J.-Y. Duquesne, A. Lemaître, F. Margaillan, C. Gourdon, and L. Thevenard Phys. Rev. B 101, 144425 (2020)
  • [JAP20] Exploring the shear strain contribution to the uniaxial magnetic anisotropy of (Ga,Mn)As, M. Kraimia, L. Largeau, K. Boujdaria, B. Croset, C. Mocuta, A. Lemaître, C. Gourdon, and L. ThevenardJournal of Applied Physics 127, 093901 (2020)
  • [JPhysD19] The 2019 surface acoustic waves roadmap, P. Delsing, C. Gourdon, L. Thevenard et al. J. Phys. D : Applied Physics 52, 353001 (2019)
  • [PRevApp19] Field-Free Magnetization Switching by an Acoustic Wave, I. S. Camara, J.-Y. Duquesne, A. Lemaître, C. Gourdon, L. Thevenard, Phys. Rev. Applied 11, 014045 (2019)
  • [PRApp18] Optical Probing of Rayleigh Wave Driven Magnetoacoustic Resonance, P. Kuszewski, J.-Y. Duquesne, L. Becerra, A. Lemaître, S. Vincent, S. Majrab, F. Margaillan, C. Gourdon, and L. Thevenard,Phys. Rev. Applied 10, 034036 (2018)
  • [JPhysConMat18] Resonant magneto-acoustic switching : influence of Rayleigh wave frequency and wavevector, P. Kuszewski, I. S. Camara, N. Biarrotte, L. Becerra, J. von Bardeleben, W Savero Torres, A. Lemaître, C. Gourdon, J.-Y Duquesne, Journal of Physics : Condensed Matter 30 244003 (2018)
  • [PRB17-sw] Counter-rotating standing spin-waves : a magneto-optical illusion , S. Shihab, L. Thevenard, A. Lemaître, Catherine Gourdon, Physical Review B 95 144411 (2017)
  • [PRB17-dwp] Spin transfer and spin-orbit torques in in-plane magnetized (Ga,Mn)As tracks, L. Thevenard, B. Boutigny, N. Güsken, L. Becerra, C. Ulysse, S. Shihab, A. Lemaître, J.-V. Kim, V. Jeudy, C. Gourdon, Physical Review B 95 054422 (2017)
  • [PRB17-soliton] Acoustic solitons : A robust tool to investigate the generation and the detection of ultrafast acoustic waves, E. Péronne, N. Chuecos, L. Thevenard, and Bernard Perrin, Physical Review B 95 064306 (2017)
  • [JAP17] Vector network analyzer measurement of the amplitude of an electrically excited surface acoustic wave and validation by x-ray diffraction, I. Camara, B. Croset, L. Largeau, P. Rovillain, L. Thevenard, J.-Y. Duquesne, Journal of Applied Physics 121 044503 (2017)
  • [JAC16] Laboratory X-ray characterization of a surface acoustic wave on GaAs : the critical role of instrumental convolution, L. Largeau, I. Camara, J.-Y. Duquesne, C. Gourdon, P. Rovillain, L. Thevenard, B. Croset, Journal of Applied Crystallography 49 2073 (2016)
  • [PRB16prec] Precessional magnetization switching induced by a surface acoustic wave, L. Thevenard, I. S. Camara,S. Majrab, M. Bernard, P. Rovillain, A. Lemaître, C. Gourdon, and J.-Y. Duquesne, Physical Review B 93 134430 (2016)
  • [JAP16] Stationary thermal gradient induced by ultrafast laser excitation in a ferromagnetic layer, S. Shihab, L. Thevenard, A. Lemaître, C. Gourdon, J.-Y. Duquesne J. Appl. Phys. 119 153904 (2016)
  • [PRB16nuc] Strong reduction of the coercivity by a surface acoustic wave in an out-of-plane magnetized epilayer, L. Thevenard, I. S. Camara, J.-Y. Prieur, P. Rovillain, A. Lemaître, C. Gourdon, and J.-Y. Duquesne, Physical Review B 93, 140405(2016)
  • [JMMM15] Optimizing magneto-optical effects in the ferromagnetic semiconductor GaMnAs, H. Riahi, L. Thevenard, M. Maaref, B. Gallas, A. Lemaître, C. Gourdon, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 395, 340 (2015)
  • [APL15] Systematic study of the spin stiffness dependence on Phosphorus alloying in the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As , S. Shihab, H. Riahi, L. Thevenard, H. J. Von Bardeleben, A. Lemaître, C. Gourdon, Appl. Phys. Lett. 106 142408 (2015)
  • [PRB14] Surface-acoustic-wave-driven ferromagnetic resonance in (Ga,Mn)(As,P) epilayers, L. Thevenard, C. Gourdon, J.Y. Prieur, H. J. von Bardeleben, S. Vincent, L. Becerra, L. Largeau, J.Y. Duquesne, Physical Review B 90, 094401 (2014)
  • [PRB13] Irreversible magnetization switching using surface acoustic waves, L. Thevenard, J.-Y. Duquesne, E. Peronne, H. J. von Bardeleben, H. Jaffres, S. Ruttala, J-M. George, A. Lemaître, and C. Gourdon, Physical Review B 87, 144402 (2013)
  • [JMMM13] Annealing effect on the magnetization reversal and Curie temperature in a GaMnAs layer, H. Riahi, W. Ouerghui, L. Thevenard, C. Gourdon, M.A. Maaref, A. Lemaître, O. Mauguin, C. Testelin, J. Magn. Mag. Mat. 342, 149 (2013)
  • [PRB13] Domain-wall flexing instability and propagation in thin ferromagnetic films, C. Gourdon, L. Thevenard, and S. Haghgoo, A. Cebers, Phys. Rev. B 88, 014428 (2013)
  • [PRB13] The influence of phosphorus content on magnetic anisotropy in ferromagnetic (Ga, Mn)(As,P)/GaAs thin films , M Yahyaoui, K Boujdaria, M Cubukcu, C Testelin and C Gourdon, J. Phys. : Condens. Matter 25 346001 (2013)
  • [APL12] Fast domain wall dynamics in MnAs / GaAs films Fast domain wall dynamics in MnAs / GaAs films, M. Tortarolo, L. Thevenard, H. J. von Bardeleben, M. Cubukcu, M. Eddrief, V. Etgens, C. Gourdon, Applied Physics Letters 101, 072408 (2012)
  • [PRB12] High domain wall velocities in in-plane magnetized (Ga,Mn)(As,P) layers, Thevenard, L., Hussain, S. von Bardeleben, H. Bernard, M. Lemaître, A. Gourdon, C., Physical Review B 85 064419 (2012)
  • [JAP12] The influence of the epitaxial strain on the magnetic anisotropy in ferromagnetic (Ga,Mn)(As,P)/GaAs thin films , M Yahyaoui, K Boujdaria, M Cubukcu, C Testelin and C Gourdon, J. App. Phys. 111 346001 (2012)
  • [PRB11] Domain wall propagation in ferromagnetic semiconductors : Beyond the one-dimensional model, L. Thevenard, C. Gourdon, S. Haghgoo, J-P. Adam, J. von Berdeleben, A. Lemaître, W. Schoch, A. Thiaville, Physical Review B 83, 245211 (2011)
  • [PRB10] Effect of picosecond strain pulses on thin layers of the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)(As,P), L. Thevenard, E. Peronne, C. Gourdon, C. Testelin, M. Cubukcu, E. Charron, S. Vincent, A. Lemaître, and B. Perrin, Phys. Rev. B 82, 104422 (2010)
  • [PRB10_] Exchange constant and domain wall width in (Ga,Mn)(As,P) films with self-organization of magnetic domains, S. Haghgoo, M. Cubukcu, H. J. von Bardeleben, L. Thevenard, A. Lemaître, and C. Gourdon, Phys. Rev. B 82, 041301 (2010)
  • [PRB09] Unusual domain-wall motion in ferromagnetic semiconductor films with tetragonal anisotropy, C. Gourdon, V. Jeudy, A. Cēbers, A. Dourlat, Kh. Khazen, and A. Lemaître, Phys. Rev. B 80, 161202(R) (2009).
  • [PRB08] Field-Driven Domain Wall Dynamics in GaMnAs Films with Perpendicular Anisotropy, A. Dourlat, V. Jeudy, A. Lemaître, and C. Gourdon, Phys. Rev. B 78, 161303(R) (2008).
  • [Lemaître08] Strain control of the magnetic anisotropy in (Ga,M n) (As,P) ferromagnetic semiconductor layers, A. Lemaître, A. Miard, L. Travers, O. Mauguin, L. Largeau, C. Gourdon, V. Jeudy, M. Tran, and J.-M. George, Appl. Phys. Lett. 93, 021123 (2008).
  • [PRB07] Determination of the micromagnetic parameters in GaMnAs using domain theory, C. Gourdon, A. Dourlat, V. Jeudy, K. Khazen, H. J. von Bardeleben, L. Thevenard, and A. Lemaître, Phys. Rev. B 76, 241301(R) (2007).
  • [Dourlat07] Domain structure and magnetic anisotropy fluctuations in (Ga,Mn)As : Effect of annealing, A. Dourlat, V. Jeudy, C. Testelin, F. Bernardot, K. Khazen, C. Gourdon, L. Thevenard, L. Largeau, O. Mauguin, and A. Lemaître, J. Appl. Phys. 102, 023913 (2007).
  • [Dourlat08] Experimental determination of domain wall width and spin stiffness constant in ferromagnetic (Ga,Mn)As with perpendicular easy axis A. Dourlat, C. Gourdon, V. Jeudy,, K. Khazen, H.J. von Bardeleben, L. Thevenard, A. Lemaitre, Physica E 40 (2008) 1848–1850
  • [Dourlat07] Domain wall dynamics in annealed GaMnAs epilayers A. Dourlat, V. Jeudy, L. Thevenard, A. Lemaître, and C. Gourdon, J. Supercond. Nov. Magn. 20, 453 (2007).
  • [Dourlat07] Expansion and collapse of domains with reverse magnetization in GaMnAs epilayers with perpendicular magnetic easy axis A. Dourlat, C. Gourdon, V. Jeudy, C. Testelin, K. Khazen, J.L. Cantin, H.J. von Bardeleben, L. Thevenard, A. Lemaitre, IEEE Trans. Magn. 43, 3022 (2007).