Excitation and detection optical processes of the magnetization dynamic in the diluted magnetic-semiconductor (Ga,Mn)(As,P)

Excitation et détection optiques de la dynamique de l’aimantation dans le semi-conducteur ferromagnétique (Ga,Mn)(As,P)

Sylvain Shihab (1)

1 INSP - Institut des Nanosciences de Paris

Development of impulsional laser enhanced the study of the magnetization dynamic in the temporal domain (fs-ns) with optical techniques. In thin ferromagnetic films with a weak optical absorption, excitation and optical mechanisms are not yet fully understood. To increase our understanding, variations of magnetic parameters are required. To that end, the magnetic semiconductor like (Ga,Mn)(As,P) are a good choice due to their magnetic properties easily adjustable thanks to the coupling between magnetic and semiconductor properties. In this thesis, conditions for optimal excitations were established. Supposing a thermal excitation origin, we assessed the transient change of temperature and anisotropy constant. I also established the role of the optical absorption and dephasing due to the finite magnetic layer thickness in the spin-waves detection process. The observation of several spin-waves gave me the opportunity to assess the spin-stiffness constant as a function of phosphorus. On the contrary of theoretical prediction, I showed that the spin-stiffness hardly vary with the phosphorus concentration.

Le développement des lasers impulsionnels a permis l’émergence de l’étude de la dynamique de l’aimantation dans le domaine temporel (fs-ns) par des techniques optiques. Dans les couches minces ferromagnétiques présentant une faible absorption optique les mécanismes de couplage de la lumière avec les propriétés magnétiques permettant l’excitation de la précession de l’aimantation et sa détection ne sont qu’imparfaitement connus. Pour développer leur compréhension il est nécessaire de faire varier les paramètres magnétiques. Les alliages semi-conducteurs ferromagnétiques sont pour cela des matériaux de choix du fait de leurs propriétés magnétiques aisément ajustables grâce au couplage entre les propriétés semi-conductrices et magnétiques. Les conditions pour une excitation optimale ont été précisées. L’excitation par une variation thermique transitoire des constantes d’anisotropie a été quantifiée. Le rôle de l’absorption et du déphasage optique dans la détection a été établi. L’observation de plusieurs ondes de spin a permis la détermination de la constante d’échange en fonction de la concentration en phosphore. J’ai montré que celle-ci variait peu, contrairement aux prédictions théoriques.

Mots clés: Magnetism; Spin-waves; Magnetic semiconductor

Mots clés: Aimantation; Ondes de spin; Magnéto-Optique; Excitation optique; Dynamique ultrarapide; Semiconducteur magnétique

Domaines: Chimie-Physique [physics.chem-ph]

Sylvain Shihab. Excitation et détection optiques de la dynamique de l’aimantation dans le semi-conducteur ferromagnétique (Ga,Mn)(As,P). Chimie-Physique [physics.chem-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2015. Français. ⟨NNT : 2015PA066548⟩. ⟨tel-01269654v2⟩