Mechanism and size effects of helicity-dependent all-optical magnetization switching in ferromagnetic thin films
Mécanisme et effets de tailles du retournement tout-optique dans les couches minces ferromagnétiques
Résumé
Over the past decade, the demand for an even higher capacity to store data has been gradually increasing. To achieve ultrafast and ultrahigh density magnetic data storage, low-power methods to manipulate the magnetization without applying an external magnetic field has attracted growing attention. The possibility to deterministically reverse the magnetization with only circularly polarized light was evidenced in multiple ferri- and ferro-magnetic materials. This phenomenon was called helicity-dependent all-optical switching (HD-AOS). In ferromagnets, it was demonstrated that HD-AOS was a cumulative and multishot process with a helicity-independent demagnetization followed by a helicity-dependent magnetization recovery. Yet, the microscopic mechanism of this helicity-dependent remagnetization remained highly debated. In this thesis, we investigated the magnetization reversal mechanism of all-optical switching in ferromagnetic materials. To explore a potential switching process through domain nucleation and domain wall (DW) propagation, we studied the response of a DW upon femto- or pico-second laser irradiation in Co/Pt thin films that exhibit HD-AOS. We reported helicity-dependent all-optical domain wall motion. We demonstrated that it results from the balance of three contributions: the temperature gradient due to the laser heating, the helicity effect and the pinning effects. By measuring the magnetic circular dichroism, a purely thermal mechanism of the laser-induced DW motion appears to be excluded. Furthermore, we examined the size effects in AOS in Co/Pt films patterned into microdots with a diameter between 10 and 3 μm. This allowed us to explore the role of the dipolar field in the switching mechanism. We discovered that a larger number of laser pulses was required to reverse the magnetization of a microdot compared to the continuous film. This indicated that the dipolar field actually eases the magnetization reversal in the full film. Thus, AOS is less energy-efficient in patterned films, hence making Pt/Co/Pt multilayers not an ideal candidate for integrating AOS in spintronic devices
Pour des applications technologiques d’enregistrement magnétique de l’information à haute densité et vitesse d’écriture et de lecture ultra-rapide, les chercheurs se sont penchés vers des méthodes de manipulation de l’aimantation sans application de champ magnétique externe. Il a été découvert qu’il était possible de renverser de manière déterministe l’aimantation de plusieurs matériaux ferri- et ferro-magnétiques à l’aide uniquement d’impulsions laser ultracourtes polarisées circulairement. Ce retournement tout-optique s’est avéré être un processus cumulatif nécessitant plusieurs impulsions ultracourtes dans les matériaux ferromagnétiques. Notamment dans les multicouches (Co/Pt), le retournement tout-optique se fait en deux étapes : une désaimantation indépendamment de l’hélicité suivie d’une ré-aimantation dans une direction ou l’autre selon l’hélicité. Pour autant, le mécanisme à l’origine du rétablissement de l’ordre magnétique n’a pas été étudié jusqu’à présent. Dans cette thèse, nous avons étudié le mécanisme de renversement de l’aimantation dans les couches ferromagnétiques résultant de l’excitation par impulsions laser ultracourtes polarisées circulairement. Pour cela, nous étions intéressé par la réponse d’une paroi de domaine dans les couches minces de Pt/Co/Pt à la suite d’une excitation laser et en fonction de la polarisation de la lumière. Nous avons démontré la possibilité d’induire un déplacement tout-optique et déterministe d’une paroi de domaine. Nous montrons que la propagation de la paroi résulte de la compétition entre trois contributions : le gradient de température dû aux effets de chauffage par le laser, l’effet de l’hélicité de la lumière et les effets de piégeages de la paroi. Par ailleurs, par mesures expérimentales du dichroïsme circulaire, nous excluons un mécanisme purement thermique du déplacement de paroi. Ainsi nous confirmons que le retournement tout-optique des couches ferromagnétiques se fait par une nucléation suivie d’une ré-aimantation par propagation déterministe des parois de domaines selon l’hélicité. De plus, nous avons exploré la possibilité d’utiliser le retournement tout-optique dans des dispositifs spintroniques pour l’enregistrement de l’information à haute densité. Pour se faire, il est nécessaire d’étudier les effets de tailles du retournement lorsque le matériau est structuré en îlots à l’échelle du micro- ou nanomètre. Nous avons montré qu’un plus grand nombre d’impulsions laser est nécessaire afin de renverser l’aimantation de micro-disques comparés à la couche continue ferromagnétique. Il en résulte que le champ dipolaire aide le renversement de l’aimantation dans les couches continues rendant ainsi le retournement tout-optique énergétiquement plus favorable
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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