Littérature scientifique sur le sujet « All-optical helicity-independent switching »

Abstract Ultrafast all-optical switching by single femtosecond laser pulse has recently been considered as one of the most potential technologies for the application on high-speed and energy efficient memory device. Here, to ensure such a sophisticated technology to be applicable to more complex environments, we report the dependence of all-optical switching of the ferrimagnet, GdCo, on the ambient temperature. Through heating the GdCo film up to 380 K, we demonstrate the distinct magnetic behaviours and the critical laser fluences of all-optical switching under different composition of Gd. It is found that the thermal stability for AOS will be significantly improved when there are more rare-earth elements, Gd in GdCo. This work provides a deep insight into the thermal effect on helicity independent all-optical switching and will optimize the application of ultrafast technology on the spintronic devices and magnetic memories.

We report on a phenomenon of plasmonic dichroism observed in magnetic materials with transverse magnetization under excitation of surface plasmon polariton waves. The effect originates from the interplay of the two magnetization-dependent contributions to the material absorption, both of which are enhanced under plasmon excitation. Plasmonic dichroism is similar to circular magnetic dichroism, which is at the base of all-optical helicity-dependent switching (AO-HDS) but observed for linearly polarized light, and the dichroism acts upon in-plane magnetized films, where AO-HDS does not take place. We show by electromagnetic modeling that laser pulses exciting counter-propagating plasmons can be used to write +M or −M states in a deterministic way independent of the initial magnetization state. The presented approach applies to various ferrimagnetic materials with in-plane magnetization, exhibiting the phenomenon of all-optical switching of a thermal nature and broadens the horizons of their applications in data storage devices.

All-optical magnetic switching (AOS) provides a novel approach to improve writing ability and energy efficiency compared to those utilized in the mainstream magnetic data storage products. Rare earth-transition metals (RE-TM) exhibit extremely fast magnetization switching induced by one single incident linearly polarized laser pulse; however, the mechanism is still ambiguous. Here, we show by atomistic spin simulation that the laser induced spin transfer torque dominates the magnetization reversal of Fe sublattice in Gd25Fe75 alloy, and that the switching speed of Gd25Fe75 alloy is relevant to the amount of spin current. This implies that a possible helicity independent mechanism underlies the RE-TM alloy AOS process. We also find that the greater the spin current density the faster the magnetization switching, and the time magnetization reversal of Gd and Fe takes is also affected by the spin current density.

We experimentally demonstrate single pulse toggle switching of the magnetization of GdFeCo disks with perpendicular to film plane anisotropy, which diameter ranges from 3 μm to 400 nm using 35 fs linearly polarized laser pulses. Two different magnetic states can be observed depending on the laser fluence: either a deterministic switching of the disk magnetization or a randomly oriented disk. We report that the fluence required to observe both magnetic states show a non-monotonic behavior with disk diameter and that the smallest disks require the lowest minimum fluence for achieving single pulse all-optical helicity-independent switching. Different evolution of the fluence thresholds for both phenomenon as a function of the disk size is observed and discussed.

Au cours des quinze dernières années, le retournement tout optique à impulsion unique a été principalement observée et étudiée dans des films minces à base de métaux de transition et de Gd, avec un grand potentiel pour permettre de nouvelles applications de stockage de données, de mémoire, de logique magnétique rapide et économe en énergie. Pour se rapprocher de la nanotechnologie ou de la microtechnologie, il faut concevoir d'autres matériaux contenant peu ou pas de terres rares et réduire latéralement la taille des échantillons. Dans ce travail, nous démontrons expérimentalement le retournement tout optique de l'aimantation des disques de GdFeCo pour des diamètres allant de 3 µm à 400 nm en utilisant des impulsions laser de 35 femtoseconde polarisées linéairement. Deux différents états magnétiques sont observés en fonction de la fluence laser : soit un renversement déterministe de l'aimantation des disques, soit des disques orientés de façon aléatoire. Nous rapportons que les fluences requissent pour observer ses deux états magnétiques présentent un comportement non monotone avec le diamètre du disque, et que les plus petits disques nécessitent la fluence seuil la plus faible pour obtenir un retournement tout optique indépendant de l'hélicité avec une seule impulsion. Une évolution différente des fluences seuils pour les deux phénomènes est observée en fonction de la taille du disque. Ensuite, nous démontrons qu'en partant d'une bicouche Co/Pt avec une forte anisotropie perpendiculaire, le saupoudrage de Gd à l'interface est suffisant pour induire un retournement tout optique bien définie avec une seule impulsion. Une analyse minutieuse de l'impact de l'interface Gd/Co et de la composition de l'alliage GdCo sur le reversement tout optique est présenté. La démonstration qu'une très petite quantité de Gd est nécessaire pour provoquer le retournement de l’aimantation d’une couche ferromagnétique ouvre non seulement de nouvelles possibilités d'application, mais remet également en question la description théorique du mécanisme de retournement tout optique. Enfin, nous présentons une étude systématique du renversement de l'aimantation des disques de Pt/Co/Pt saupoudrés de Gd dont le diamètre varie de 1.5 µm à 400 nm avec des impulsions laser à polarisation linéaire de 35 fs. En faisant varier le nombre d'impulsions, il apparaît que la seule probabilité de retournement peut décrire le comportement du renversement de l’aimantation. La variation de cette probabilité est mesurée avec précision dans la gamme de 90% à 99.99%. De plus, la probabilité de retournement se dégrade lorsque le diamètre des disques est réduit. La variation "exponentielle" de cette probabilité de retournement avec le diamètre du disque ne peut pas être expliquée par des effets thermiques spécifiques. Au contraire, un processus de renversement hautement non-uniforme avec une faible probabilité de retournement microscopique explique nos données expérimentales. Un modèle probabiliste simple, analogue au théorème du jury de Condorcet est proposé et comparé aux simulations micro-magnétiques
In the last fifteen years single pulse all-optical switching has mainly been observed and studied in Transition Metal- Gd based thin film with high potential for enabling new application for energy efficient and fast magnetic data storage, memory, and logic. To move closer to nano or micro technologies, other materials with no or less rare-earth need to be engineered and lateral sample size must be reduced. In this work, we experimentally demonstrate single pulse toggle switching of the magnetization of GdFeCo disks with perpendicular to film plane anisotropy which diameter ranges from 3 µm to 400 nm using 35 fs linearly polarized laser pulses. Two different magnetic states are observed depending on the laser fluence: either deterministic switching of the disks magnetization or randomly oriented disk. We report that the fluence required to observe both magnetic states show a non-monotonic behavior with disk diameter, and that the smallest disks require the lowest minimum fluence for achieving single pulse all-optical helicity-independent switching. Different evolution of the fluence thresholds for both phenomenon as a function of the disk size is observed and discussed. Then, we demonstrate that starting with a Co/Pt bilayer showing strong perpendicular anisotropy, Gd dusting at the interface is sufficient to induce well define single pulse all optical switching. A careful analysis of the impact of the Gd/Co interface and the CoGd alloy composition on all optical switching is presented. The demonstration that very little amount of Gd is needed to induce the magnetization reversal of a ferromagnetic layer not only open new possibility for application, but it also questions theoretical description of the toggle switching mechanism. Finally, we present a systematic study of the magnetization reversal for Gd-dusted Pt/Co/Pt ferromagnet disks which diameter ranges from 1.5 µm to 400 nm with 35 fs linear polarization laser pulses. By varying the number of pulses, it appears that a single toggle switching probability can describe the behavior. The variation of this switching probability is precisely measured in a range from 90% to 99.99%. The switching probability degrades as the diameter of the disks is reduced. The "exponential" variation of the switching probability with the disk diameter size cannot be explained by specific thermal effects. On the other hand, a highly non uniform switching process with a weak microscopic switching probability explains our experimental data. A simple probabilistic model, analog to Condorcet's jury theorem is proposed and compared to micromagnetic simulations

La manipulation de l’aimantation est un des sujets de recherche les plus étudiés dans le domaine de l’électronique de spin. Différentes méthodes de manipulations peuvent exciter les propriétés dynamiques de l’aimantation à différentes échelles de temps. Parmi les phénomènes dynamiques, la précession de l’aimantation et la désaimantation ultrarapide ont suscité un intérêt particulier. La fréquence de précession de l’aimantation est de l’ordre du GHz et correspond à une période de centaines de picosecondes. Cette précession est le mécanisme à l’œuvre dans les nano-oscillateurs à transfert de spin (NOTS), un nouveau type de dispositif microonde présentant des avantages sur l’oscillateur commandé en tension (OCT) conventionnel en termes de taille, de consommation d’énergie et d’adaptabilité de la fréquence. La désaimantation ultrarapide a été observé pour la première fois dans du nickel en quelques centaines de femtosecondes. Le renversement tout optique (RTO), nécessitant la désaimantation ultrarapide, a ensuite été démontré expérimentalement. Le RTO est bien plus rapide que tout autre retournement de l’aimantation par couple et est donc prometteur pour construire des mémoires magnétiques ultrarapides. Bien que de nombreuses études sur ces deux phénomènes existent, plusieurs problèmes se doivent d’être résolus avant de pouvoir passer à l’étape de production industrielle. Les NOTS sont censés être utilisés pour la modulation par déplacement d’amplitude (MDA) ou la modulation par déplacement de fréquence (MDF), mais les conditions optimales pour ces deux types de modulation microondes n’ont pas encore été assez investiguées. Quant au RTO, l’influence des paramètres du laser tels que la fluence ou la durée de l’impulsion et des propriétés du matériau tels que le composition et l’épaisseur n’a pas fait l’objet d’études systématique. Dans ce manuscrit, ces deux types de manipulation de l’aimantation sont étudiés en détail. En ce qui concerne la précession de l’aimantation, nous démontrons qu’un champ magnétique accru permet d’obtenir une plus large plage de fréquence possible alors qu’un champ magnétique plus faible résulte en une plage d’amplitude possible élargie. Ainsi ces deux scenarii sont applicables au MDF et MDA, respectivement, et posent les bases d’une utilisation des NOTS en modulation microonde. Dans la deuxième étude, nous démontrons que le RTO dépends fortement des caractéristiques de l’impulsion laser. Pour cela nous avons construit un diagramme d’état pour le GdFeCo et le Co/Pt, deux matériaux typiques respectivement du retournement tout optique indépendant de l’hélicité (RTO-IH) et du retournement tout optique dépendant de l’hélicité (RTO-DH). Ces résultats permettent une meilleure compréhension du mécanisme fondamental régissant la dynamique de l’aimantation induite par exposition à un laser
Magnetization manipulation is one of the most actively researched topics in the field of spintronics. Different ways of manipulation can trigger magnetization dynamics on different time scales. Among these dynamics, magnetization precession and ultrafast demagnetization have attracted substantial interests. The frequency of magnetization precession is normally in the GHz range corresponding to a period of hundreds of ps, which is the basic mechanism of spin torque nano-oscillators (STNO), a new type of microwave devices which show advantages over conventional voltage-controlled oscillator (VCO) in terms of size, energy consumption and tunable frequency. Ultrafast demagnetization was first observed in Ni which takes places in hundreds of femtoseconds. Triggered by this, All-Optical Switching (AOS) was then demonstrated which is much faster than any torque induced switching, promising for application in the high-speed magnetic memory. Although many studies on these two phenomena have been reported, several issues need to be addressed before they move toward application. STNOs are supposed to be used for amplitude shift keying (ASK) or frequency shift keying (FSK), but the optimal conditions for these two types of microwave modulation are still not well explored. As for AOS, the influence of the laser parameters such as fluence and pulse duration and the material properties such as the composition and the thickness has not been systematically investigated. In this thesis, these two types of magnetization manipulation are studied in detail. Concerning magnetization precession, we demonstrate that a stronger magnetic field allows a wider frequency tuning range while a smaller magnetic field results in a wider amplitude tuning range. Thus, these two scenarios are applicable to FSK and ASK, respectively, providing guidelines for STNO in microwave modulation. In the second study, we demonstrate that AOS depends strongly on pulse characteristic. This was shown by building a magnetization state diagram for GdFeCo and Co/Pt which are two typical materials showing All-Optical Helicity-Independent Switching (AO-HIS) and All-Optical Helicity-Dependent Switching (AO-HDS), respectively. These results allow a better understanding of the fundamental mechanism behind laser-induced magnetization dynamics