Thermal control of all-optical switching in magnetic heterostructures and magnetoplasmonic metasurfaces
Contrôle thermique du renversement tout optique dans des hétérostructures magnétiques et des métasurfaces magnétoplasmoniques
Résumé
The opportunity to control magnetic order at short timescale focused a lot of attention around ultrafast magnetism. This research topic is of primary importance for the development of datastorage devices that seek for faster magnetization reversal combined with energy efficiency. It has been shown over the last decade that magnetization can be reversed deterministically by means of a single ultrafast arbitrary polarized laser pulse, so-called All Optical Helicity-Independent Switching (AO-HIS). This kind of light-induced magnetization reversal is restricted to a few ferrimagnetic materials such as GdFeCo or MnRuGa. Since AO-HIS can be performed with linearly polarized ultrafast laser pulses, it is believed that the underlying physics stands for a pure thermal effect, meaning that only the amount of energy transfered from the incoming light to the electronic system matters. In this work we propose various strategies to control this thermal effect. First we consider a periodic arrangement of [Co/Gd/Pt] nanodisks on glass substrate. These structures have been shown to exhibit surface lattice resonances in visible range, characterized by a strong absorption enhancement. In this way we demonstrate that the excitation of such optical mode leads to a reduction of the threshold fluence for observing AO-HIS by 400 %. Also, such collective resonances enhance the magneto-optical activity by 5000 %, promising for a reliable readout sensivity. Probing the magneto-optical behaviour of the metasurfaces with an oblique angle of incidence reveals the existence of magnetism-induced surfce lattice resonances. We believe that this latter result is important from fundamental point of view. The other strategy involves the multilayer system GdFeCo/Cu. We show that thicker Cu layers allows the electronic system to cool down more efficiently so that AO-HIS can be observed for a larger range of fluencies for a given pulse duration. Thus this adjacent Cu layer plays the role of a heat sink. A direct consequence is the possibility, for samples with thick Cu layers, toextend AO-HIS to larger pulse durations, until 25 picoseconds. This study must facilitate the integration of AO-HIS in future magnetism-based data storage devices.
La possibilité de contrôler l’ordre magnétique sur des échelles de temps extrêmement courtes a concentré beaucoup d’attention autour du magnétisme ultra rapide. Cette thématique de recherche est d’importance capitale pour le développement de futures mémoires de données exigeant moins d’énergie pour une vitesse d’écriture plus rapide. Ce n’est que lors que la dernière décennie qu’il a été montré qu’il est possible de renverser de manière déterministe l’aimantation avec des impulsions laser femtoseconde dans certains matériaux tels que GdFeCo ou MnRuGa. Le retournement tout optique de l’aimantation dans ces matériaux ne dépend pas de l’hélicité de la lumière incidente (on parle alors de All Optical Helicity-Independent Switching) et peut être effectué après une impulsion laser femtoseconde unique. L’AO-HIS n’est cependant pas général, restreint à certains matériaux ferrimagnétiques. Le mécanisme clé est la quantité d’énergie transmise au système via la lumière. Dans cette thèse nous proposons plusieurs stratégies pour contrôler cet effet thermique. Dans une première approche, nous considérons des arrangements périodiques de nanodisques de [Co/Gd/Pt] sur substrat de verre. Ces structures montrent des résonances de réseau de surface dans le domaine visible et se caractérisent par une forte absorption d’énergie lumineuse par le système considéré. Nous montrons que l’excitation de ce mode optique permet de réduire de 400 % la fluence seuil pour laquelle l’AO-HIS est observé. Par ailleurs, l’excitation de la résonance plasmonique augmente l’activité magnéto-optique par plus de 5000 %, prometteur pour une sensibilité de lecture fiable. Une étude conjointe menée avec un angle d’incidence oblique a permis de mettre en lumière l’existence de résonances de réseau de surface dont l’origine est magnétique, résultat important d’un point de vue fondamental. L’autre approche implique le système multicouche GdFeCo/Cu. Nous montrons que pour une couche de Cu de plus en plus épaisse, le système électronique est mieux refroidi permettant ainsi d’observer l’AO-HIS pour une plage de fluences plus grande pour un temps d’impulsion donné. Ainsi la couche de Cu peut jouer le rôle de dissipateur de chaleur. La conséquence directe est la possibilité, pour les échantillons à grande épaisseur de Cu, d’étendre l’AO-HIS jusqu’à des temps d’impulsion de 25 picosecondes. Cette étude devrait faciliter l’intégration de l’AO-HIS dans les périphériques de stockage de données de demain.
Domaines
Physique [physics]| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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