Probing and controlling coherent-phonon and spin-charge conversion in nanostructures with ultrafast visible and THz light pulses - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Probing and controlling coherent-phonon and spin-charge conversion in nanostructures with ultrafast visible and THz light pulses

Sonde et contrôle des phonons cohérents et de la conversion spin-charge dans les nanostructures à l'aide d'impulsions lumineuses ultrarapides dans le visible et le THz

Artem Levchuk

Résumé

The solid-state physics at the nanoscale has gained tremendous attention due to the developments in sample fabrication and metrology techniques. In addition, progress in the field of pulsed femtosecond lasers made possible the resonant control of matter. These two developments set new research directions in nanophotonics, solid-state physics, and spintronics. However, the ultrafast coupling between electrons, phonons, and spins in spatially confined systems is still not fully understood to address various technological challenges. The first part of this thesis is the experimental investigation of the coherent acoustic phonon generation with terahertz and near-infrared ultra-short pulses. With the ultrafast nonlinear spectroscopy in a pump-probe scheme, we study the transient response of the metallic films (Cr, Al) and narrow band-gap topological insulator (Bi2Te3) at the picosecond timescale. Owing to a quantitative comparison between terahertz and near-infrared ultrashort pulse excitations, we unprecedently show that the process of acoustic phonon generation with terahertz is mainly driven by thermoelastic stress, i.e., by an ultrafast Joule heating. As the next step, we address coherent optical phonons generation in the Bi2Te3 nanofilms. Consistent with the literature, we find that the near-infrared pulse drives only Raman active optical phonons. On the other hand, we observe rich lattice dynamics when the terahertz pulse excites the system. The experiments conclude that the terahertz pulse drives first the infrared active phonons, and the latter, by nonlinear phonon-phonon coupling processes, excite other Raman active modes. Furthermore, by describing the different channels of lattice relaxation, we also evidence multi-mode coupling dynamics. Thus, this work contributes to the description of emerging nonlinear phononic physics. The third achievement of this thesis is the picosecond control of the spin-to-charge conversion driven by a combination the ultrafast demagnetization in CoFeB, spin-orbit coupling mechanisms and strong spin-orbit interaction. Spin to charge conversion has different origins depending on the nanostructures CoFeB/Pt or MgO. The conversion can occur either in the ferromagnetic CoFeB film (via anomalous Hall effect), in the heavy-metal Pt film (inverse spin Hall effect) or at the CoFeB/MgO interface (inverse Edelstein effect). The transient charge current burst generated as the cross-product of the CoFeB magnetization and direction of the light-induced spin current will lead to light emission at the terahertz frequencies. This radiation is analyzed in the far-field employing an electro-optic sampling technique. First, we confirm the robustness of the conversion by the inverse spin Hall effect in CoFeB/Pt nanostructures. Second, we report the ultrafast spin-charge conversion via the inverse Edelstein effect in CoFeB/MgO system, only revealed in the DC regime until now. Finally, we show that the inverse Edelstein effect is sensitive to the photon energy, which opens exciting perspectives of ultrafast spintronics emitters.
La physique de l'état solide à l'échelle nanométrique a suscité un intérêt considérable en raison des progrès réalisés dans les techniques de fabrication d'échantillons et de la métrologie. En plus, les progrès dans le domaine des lasers femtosecondes impulsionnels a permis le contrôle résonant de la matière. Ces deux développements définissent de nouvelles orientations de recherche en nanophotonique, en physique des solides et en spintronique. Cependant, le couplage ultrarapide entre les électrons, les phonons et les spins dans des systèmes spatialement confinés n'est pas encore totalement compris pour répondre à divers défis technologiques. La première partie de cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la génération cohérente de phonons acoustiques avec des impulsions ultracourtes dans le terahertz et le proche infrarouge. En utilisant la spectroscopie non linéaire ultrarapide dans une géométrie pompe-sonde, nous étudions la réponse transitoire des films métalliques (Cr, Al) et de l'isolant topologique à bande interdite étroite (Bi2Te3) à l'échelle de temps picoseconde. Grâce à une comparaison quantitative entre les excitations par impulsions ultracourtes térahertz et infrarouges, nous révélons que le processus de génération de phonons acoustiques par térahertz est principalement dirigé par un stress thermoélastique, c'est-à-dire par un chauffage Joule ultrarapide. Dans l'étape suivante, nous abordons la génération de phonons optiques cohérents dans les nanofilms de Bi2Te3. D’une part, conformément à la littérature, nous constatons qu’une impulsion infrarouge n’excite que des phonons optiques actifs Raman. D'autre part, la dynamique du réseau est riche lorsqu’une impulsion térahertz excite le système. En effet, les expériences montrent qu’une impulsion térahertz excite d'abord les phonons actifs infrarouges, et que ces derniers, par des processus de couplage phonon-phonon non linéaires, excitent d'autres modes actifs Raman. De plus, en décrivant les différents canaux de relaxation du réseau, nous mettons également en évidence une dynamique de couplage multi-mode. Ainsi, ce travail contribue à la description au domaine émergent de la physique phononique non linéaire. La troisième contribution de cette thèse est le contrôle à l’échelle picoseconde de la conversion spin/charge par une combinaison de la démagnétisation ultrarapide dans le CoFeB, des mécanismes de couplage spin-orbite et de la forte interaction spin-orbite. La conversion spin-charge a des origines différentes selon les nanostructures CoFeB/Pt ou MgO. La conversion peut être réalisée soit dans le film ferromagnétique de CoFeB (via l'effet Hall anormal), soit dans le film de Pt en métal lourd (effet Hall de spin inverse), soit à l'interface CoFeB/MgO (effet Edelstein inverse). Le courant de charge transitoire généré par le produit croisé de l'aimantation du CoFeB et de la direction du courant de spin provoqué par la lumière conduira à une émission de lumière aux fréquences térahertz. Ce rayonnement est analysé dans le champ lointain à l'aide d'une technique d'échantillonnage électro-optique. Nous confirmons d'abord la robustesse de la conversion par effet Hall de spin inverse dans les nanostructures CoFeB/Pt. Ensuite, nous rapportons la conversion ultra-rapide de la charge de spin via l'effet Edelstein inverse dans le système CoFeB/MgO, révélée jusqu'à présent uniquement dans le régime DC. Enfin, nous montrons que l'effet Edelstein inverse est sensible à l'énergie des photons, ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour les émetteurs spintroniques ultrarapides.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03666698 , version 1 (12-05-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03666698 , version 1

Citer

Artem Levchuk. Probing and controlling coherent-phonon and spin-charge conversion in nanostructures with ultrafast visible and THz light pulses. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Le Mans Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022LEMA1002⟩. ⟨tel-03666698⟩
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