Résumé :
Face à la demande croissante en matière de traitement, les technologies de l’information sont confrontées à la nécessité de manipuler des volumes de données toujours plus importants, plus rapidement et avec une meilleure efficacité énergétique.
Dans ce contexte général, la compréhension fine des mécanismes de génération et de manipulation des courants de spin à des échelles de temps inférieures à la picoseconde ouvre de nouvelles perspectives pour relever ces défis technologiques. Parmi les solutions émergentes, les textures antiferromagnétiques suscitent un intérêt particulier en raison de leurs propriétés dynamiques remarquables avec notamment des résonances magnétiques dans la gamme de fréquences térahertz (THz). Par ailleurs, il a été démontré que des courants de spin de nature magnonique sans aucun courant de charge associé peuvent se propager efficacement dans ces isolants antiferromagnétiques, et ce sur de longues distances dans les monocristaux. Autrement dit, ces systèmes sont désormais reconnus comme des canaux de transport efficaces de l’information de spin. Néanmoins, si ces performances sont bien établies dans les régimes stationnaires jusqu’au GHz, de nombreuses questions restent ouvertes concernant le comportement des courants de spin dans les antiferromagnétiques à des échelles de temps ultracourtes, en particulier lorsqu’ils sont en résonance cohérente avec les modes THz propres à ces matériaux. C’est précisément l’objet de cette thèse qui est d’explorer le transfert de moment angulaire du spin dans des isolants antiferromagnétiques à des échelles de temps picoseconde et inférieures. L’un des défis majeurs de cette étude réside dans la difficulté à sonder directement la dynamique antiferromagnétique, du fait de l’absence d’aimantation nette dans ces matériaux.
Pour contourner cet obstacle, notre approche expérimentale repose sur la mise en évidence de l’effet du réservoir antiferromagnétique (NiO, Cr₂O₃, BiFeO₃, etc.) sur la désaimantation ultrarapide d’une couche ferromagnétique adjacente, utilisée ici comme injecteur de spin, via des mesures magnéto-optiques résolues en temps (Tr-MOKE). En complément, nous montrerons comment le choix de certains matériaux antiferromagnétiques modèles nous permettent d’accéder à la dynamique intrinsèque des textures antiferromagnétiques.
Dans ce manuscrit thèse, nous mettons en évidence la signature claire du transfert de moment angulaire de l’injecteur de courants de spin ferromagnétique vers les textures antiferromagnétiques isolantes. Ces résultats apportent ainsi une preuve directe du déclenchement d’une dynamique antiferromagnétique THz induite par un couple de transfert de spin ultrarapide ouvrant ainsi la voie à l’utilisation de ces matériaux pour la manipulation ultrarapide de l’information.
Mots-clés : Antiferromagnétisme, Oxydes isolants, Optique ultrarapide, Courant de spin.
Ultrafast pure spincurrent transport through antiferromagnetic insulators
Abstract:
The ever-growing demand for data consumption is driving new information technologies to process larger volumes of data at a faster rate and with lower energy costs.
In this respect, mastering the underlying mechanisms of the generation and manipulation of spin currents at sub-picosecond timescales stands as an interesting playground to meet these challenges. On the other hand, antiferromagnetic textures look very attractive as they present several interesting features. Indeed, they offer appealing dynamical properties since their magnetic resonances directly lie in the THz range. Besides, it has been shown, that “magnonic-type” spin currents can be propagated in those antiferromagnetic insulators even over considerable distances in single crystals. In other words, it is nowadays well established that spin-information can be efficiently transported in these systems. However, even though this has been clearly evidenced in the DC and GHz regime, opened questions remain regarding spin current transport properties in antiferromagnets at picosecond timescales, i.e. when spin currents coherently match a specific antiferromagnetic THz resonance. This is the main objective of this thesis work in which we aim to study the transfer of spin angular momentum to antiferromagnetic insulators at picosecond and sub-picosecond timescales. Measuring directly the antiferromagnetic dynamics is a great challenge due to their intrinsic lack of net magnetization.
To overcome this difficulty, our experimental approach consists in evaluating the effect of the antiferromagnetic reservoir (e.g. NiO, Cr₂O₃, BiFeO₃) on the ultrafast demagnetization of an adjacent ferromagnetic layer – acting here as a spin injector -, by performing time-resolved magneto-optical measurements (Tr-MOKE). We will also see how the appropriate use of model antiferromagnetic materials enables us to directly probe their intrinsic dynamics.
Thus, in this thesis we will present the clear signature of spin-angular momentum transfer to the antiferromagnetic textures via the opening of an additional momentum dissipation channel providing evidence for the triggering of THz antiferromagnetic dynamics by ultrafast spin-transfer torque and paving the way for the use of these materials for ultrafast information manipulation.
Keywords: Antiferromagnetism, Insulating oxides, Ultrafast optics, Spin currents.