Letteratura scientifica selezionata sul tema "Spintronique ultra-Rapide"

Le besoin de dispositifs de stockage de mémoire a explosé au cours des dernières décennies, en particulier après le développement d'Internet. Ce besoin a atteint des sommets énormes au cours des deux dernières années, peu après la pandémie due au COVID-19. Les disques durs (HDD) sont connus pour avoir le potentiel de répondre aux demandes de stockage de données haute densité. Cette thèse traite de l'un des défis majeurs rencontrés au sein de la communauté spintronique pour améliorer la vitesse et la consommation d'énergie des dispositifs de mémoire. La vitesse de fonctionnement lors de l'écriture d'un bit magnétique dépend du mécanisme de commutation de magnétisation utilisé. Le mécanisme de commutation est lui-même dépendant des propriétés magnétiques intrinsèques de l'échantillon et de l'excitation induite de l'extérieur qui entraîne l'inversion du trépan magnétique 1. Dans cette thèse, nous nous concentrerons sur l'utilisation des excitations du couple spin-orbite (SOT) pour entraîner l'inversion, qui sont une approche relativement nouvelle mais rapide et économe en énergie par rapport à d'autres méthodes de pointe. La vitesse typique d'inversion de magnétisation à l'aide des SOT est de l'ordre de quelques nanosecondes, bien plus lente que la commutation longue de la picoseconde qui est possible avec les dispositifs de mémoire basés sur la charge 2. En fait, une vitesse d'inversion record avec des impulsions électriques aussi courtes que ~ 200 ps a été signalée par Garello et. al., 3 en 2011 en utilisant des SOT. Cette thèse rapporte des efforts supplémentaires pour accélérer l'inversion de l'aimantation de près de 2 ordres de grandeur en exploitant de tels SOT. Dans ce but, des impulsions électriques THz ont été générées via l'utilisation de commutateurs photoconducteurs Auston. Nous démontrons qu'une seule impulsion électrique de 6ps de large peut induire un SOT sur une couche ferromagnétique de Co d'une épaisseur de 1 nm et entraîner une inversion complète de l'aimantation. Une étude systématique pour comprendre les SOT dans le régime temporel picoseconde est également entreprise via l'utilisation de différentes nanostructures magnétiques. Dans les dispositifs à mémoire magnétique, une "tête de lecture" est utilisée pour lire les informations stockées dans le dispositif. Typiquement, dans les dispositifs spintroniques, des têtes de lecture à magnétorésistance géante (GMR) ou à magnétorésistance tunnel (TMR) sont utilisées pour de telles opérations. Dans cette thèse, nous rapportons également les tentatives de développement d'un capteur GMR fonctionnant en régime THz. Pour entreprendre les études susmentionnées, un montage expérimental optique et optoélectrique pompe-sonde a également été construit et un rapport détaillé de celui-ci est également fourni dans la thèse
The need for memory storage devices has skyrocketed over the last few decades especially after the development of the internet. This need has reached enormous heights in the past two years, soon after the pandemic due to COVID-19. Hard disk drives (HDDs) are known to have the potential to meet up with the high-density data storage demands. This thesis deals with one of the major challenges faced within the spintronic community to improve the speed and the energy consumption of memory devices.The speed of operation during the writing of a magnetic bit depends on the magnetization switching mechanism employed. The switching mechanism is itself dependent on the intrinsic magnetic properties of the sample and the externally induced excitation that drives the reversal of the magnetic bit 1. In this thesis, we will focus on the use of spin-orbit torque (SOT) excitations to drive the reversal, which is a relatively new but fast and energy-efficient approach in comparison with other state-of-the-art methods.The typical speed of magnetization reversal using SOTs is in the range of few nanoseconds, far slower than the picosecond-long switching that is possible with charge-based memory devices2. In fact, a record reversal speed with electrical pulses as short as ~200ps was reported by Garello et. al., 3 in 2011 using SOTs. This thesis reports further efforts to speed up the magnetization reversal by almost 2 orders of magnitude by exploiting such SOTs. To this aim, THz electrical pulses were generated via the use Auston photoconductive switches. We demonstrate that a single 6ps wide electrical pulse can induce a SOT to a 1nm thin Co ferromagnetic layer and result in a full magnetization reversal. A systematic study to understand SOTs in the picosecond time regime is also undertaken via using different magnetic nanostructures.In magnetic memory devices, a “read-head” is used to read the stored information in the device. Typically, in spintronic devices, giant magnetoresistance (GMR) or tunnel magnetoresistance (TMR) based read heads are used for such operations. In this thesis, we also report on the attempts of developing a GMR sensor working in the THz regime.To undertake the aforementioned studies, a pump-probe optical and optoelectrical experimental setup has also been built and a detailed report of the same is also provided in the thesis

Le domaine émergent de l'électronique à spin ultra-rapide intègre les idées et les concepts de la magnéto-optique et de l'opto-magnétisme avec les phénomènes de transport de spin, complétés par les possibilités offertes par la photonique pour une manipulation ultra-rapide à faible dissipation et le transport de l'information. La découverte de la commutation de magnétisation déterministe ultra-rapide entièrement optique a ouvert de nouvelles possibilités pour la manipulation de la magnétisationdans les dispositifs à l'aide d'impulsions laser femtosecondes. Le HI-AOS est principalement observé dans des alliages ou des multicouches ferrimagnétiques à base de terres rares (RE) à base de gadolinium ou de métaux de transition (TM). Il a récemment été observé dans des matériaux sans gadolinium, tels que le ferrimagnétique Mn2RuxGa et la multicouche ferrimagnétique [Tb/Co]N. Dans ce travail, nous avons cherché à trouver de nouveaux matériaux capables de présenter une commutation optique entièrement optique (HI-AOS) indépendante de l'hélicité en un seul tir, et à comprendre le comportement de commutation, le mécanisme fondamental et le processus de commutation dans différents matériaux et structures. Par conséquent, trois principales parties de travail ont été réalisées dans cette thèse:• Étude de l'alliage CoLu, où Lu a les mêmes propriétés que Gd avec un faible couplage spin-orbite (L=0). Une anisotropie magnétique perpendiculaire peut être obtenue dans 3 nm d'alliage Co100-xLux avec x variant entre 22% et 42%. De plus, des mesures de commutation en un seul tir dans un film complet et un réseau de points de 3 m montrent qu'aucune commutation déterministe de la magnétisation ne peut être observée. Les résultats peuvent être attribués à la faible magnétisation et, par conséquent, à la faible quantité de moment angulaire transportée par l'élément Lu selon des simulations atomistiques. • Commutation en un seul tir dans des multicouches [RE/TM]N, où la couche RE peut être un métal des terres rares avec un couplage spin-orbite plus important, comme Tb et Dy, et leur alliage avec des métaux de transition. À partir de multicouches [Tb/Co]5 and [Tb/Fe]4, la commutation en un seul tira été étendueà diverses multicouches, bicouches et tricouches, en faisant un phénomène général dans les multicouches à base de Tb et de Dy, qui ont des propriétés sperimagnétiques couplées à des métaux transitoires. De manière intéressante, une structure complexe de cercles de directions de magnétisation opposées a été observée à haute énergie. Selon les mesures de pompage-sonde, nous avons essayé d'expliquer le mécanisme de commutation et les structures annulaires, qui pourraient être un mécanisme de précession de réorientation dans le plan. • Commutation en un seul tir dans des multicouches [Co/Ho]N, qui est un nouveau système de matériaux avec une attente de couplage spin-orbite plus élevé par rapport à Tb et Dy. Étonnamment, même si le couplage spin-orbite dans Ho (comme c'est le cas dans Tb et Dy) est plus important que celui de Gd, ce qui devrait augmenter la dissipation du moment angulaire dans la structure cristalline, le diagramme état de durée/fluence des impulsions est proche de celui du système à base de Gd. L'étude de ce nouveau système pourrait contribuer à combler les processus de retournement en un seul tir observés, d'une part, dans les hétérostructures à base de Gd, d'autre part, dans celles à base de Tb ou de Dy
The emerging field of ultrafast spin electronics integrates the ideas and concepts of magneto-optics and opto-magnetism with spin transport phenomena, supplemented with the possibilities offered by photonics for ultrafast low-dissipative manipulation and transport of information. The discovery of all-optical ultra-fast deterministic magnetization switching has opened up new possibilities for manipulating magnetization in devices using femtosecond laser pulses. HI-AOS is predominantly observed in Gadolinium-based Rare Earth (RE) / Transition Metals (TM) ferrimagnetic alloys or multilayers. Notably, it has recently been witnessed in materials without Gadolinium, such as the ferrimagnet Mn2RuxGa and the ferrimagnetic multilayer [Tb/Co]N. In this work, we tried to find new materials that can show single-shot helicity-independent all-optical switching (HI-AOS) and to understand the switching behavior, fundamental mechanism, and switching process in different materials and structures. Therefore, three main parts of work have been done in this thesis:• Study the CoLu alloy, where Lu has the same properties as Gd with small spin-orbit coupling (L=0). Perpendicular magnetic anisotropy can be obtained in 3 nm of Co100-xLux alloy with x varies between 22% and 42%. Besides, single-shot switching measurements in full film and 3 μm dots array show that nodeterministic switching of the magnetization can be observed. The results can be attributed to the low magnetization and, consequently, too-small angular momentum carried by the Lu element by atomistic simulations. • Single-shot switching in [RE/TM]N multilayers, where the RE layer could be rare-earth metal with larger spin-orbit coupling such as Tb and Dy, and their alloy with transition metals. Starting with [Tb/Co]5 and [Tb/Fe]4 multilayers, the single-shot switching has been extended to various multilayers, bilayers, and trilayers, making it a general phenomenon in Tb- and Dy-based multilayers, which have sperimagnetic properties coupled with transient metals. Interestingly, a complex structure of rings of opposite magnetization directions has been observed at high fluence. According to the pump-probe measurements,We tried to explain the switching mechanism and ring structures, which could be an in-plane reorientation precession mechanism. • Single-shot switching in [Co/Ho]N multilayers, which is a novel material system with the expectation of higher spin-orbit coupling compared to Tb and Dy. Surprisingly, even though the spin-orbit coupling in Ho ( as it is in Tb and Dy) is larger than that of in Gd, which should increase the dissipation of angular momentum to the lattice, the pulse duration/fluence state diagram is close to the Gd-based systems. Studying this new system could help bridge the single pulse reversal processes observed, on the one hand, in Gd-based, on the other hand, in the Tb or Dy-based heterostructures

(1) Nous aVO₂vons étudié la transition de phase dans le VO₂ amorphe ultrafin et son mécanisme physique : Nous avons préparé avec succès des films amorphes ultraminces (à l'échelle nanométrique) de VO₂ avec une transition de phase significative par pulvérisation magnétron et démontré la transition de phase du VO₂ amorphe - EGT. En outre, nous avons modélisé quantitativement la transition de phase du VO₂ amorphe et classé différentes épaisseurs de VO₂ en "système fort" (>5 nm) et "système fragile" (0-2 nm). Pour le système fort, les propriétés du matériau sont moins affectées par la température, et le modèle d'Arrhenius est utilisé pour décrire le transport d'électrons de la transition de phase du VO₂. Alors que pour le système fragile, les propriétés du matériau sont plus affectées par les fluctuations de température, et le modèle de Vogel-Tammann-Fulcher peut être utilisé pour l'analyse. Les résultats démontrent le mécanisme de transition de phase des matériaux amorphes et fournissent une nouvelle idée pour comprendre la transition de phase. En outre, cette méthode directe de croissance de VO₂ ultra-mince par pulvérisation magnétron est pratique et rapide, et il peut être cultivé dans le même lot avec d'autres matériaux dans l'hétérostructure, ce qui devrait promouvoir l'application de matériaux à transition de phase dans des dispositifs pratiques. (2) Nous avons exploré une méthode permettant de réguler dynamiquement le couplage d'échange entre couches par transition de phase : nous avons introduit le VO₂ dans la couche ferromagnétique/non magnétique et nous avons réussi à réaliser la transformation réversible du couplage antiferromagnétique et du couplage ferromagnétique en régulant les électrons de conduction par le MIT de VO₂. En même temps, à partir de l'analyse du changement des propriétés magnétiques, nous clarifions que le CEI induit par le VO₂ dans différents états électroniques est dominé par le RKKY et l'effet tunnel dépendant du spin. En outre, nous étudions en détail la racine physique derrière la régulation de l'IEC par le VO₂, et nous révélons le mécanisme de régulation de l'effet de spin de l'interface par la régulation des états électroniques de l'espaceur non magnétique. Cette partie du travail propose une nouvelle approche de la régulation dynamique de l'IEC, qui fournit de nouvelles idées pour l'application de l'IEC dans les dispositifs spintroniques. (3) Nous étudions la régulation dynamique du transport d'électrons chauds polarisés en spin par transition de phase : Dans une hétérostructure ferrimagnétique/non magnétique à canal de diffusion/ferromagnétique, nous introduisons du VO₂ dans le canal de diffusion pour contrôler les propriétés électriques du canal par MIT, puis nous régulons dynamiquement le transport des électrons chauds polarisés en spin générés par la désaimantation ultrarapide de GdCo. En régulant l'activation et la désactivation des électrons chauds dans le canal, nous obtenons une régulation dynamique de l'aimantation des couches ferromagnétiques adjacentes. Parallèlement, grâce aux changements de propriétés optiques introduits par le VO₂, nous avons réussi à commuter l'aimantation de matériaux ferromagnétiques sans AOS en ferrimagnétisme excité par un laser femtoseconde à impulsion unique. De plus, nous avons vérifié et analysé le mécanisme de cette modulation ultrarapide. Dans ce travail, nous utilisons le matériau de transition de phase VO₂ comme canal de diffusion avec des propriétés électriques contrôlables pour contrôler le transport des électrons chauds à travers le MIT. Les résultats montrent que les matériaux non magnétiques jouent un rôle important dans différents types d'hétérostructures
(1) We have investigated the phase transition in ultrathin amorphous VO₂ and its physical mechanism: We have successfully prepared ultrathin (nano-scale) amorphous VO₂ films with significant phase transition by magnetron sputtering and demonstrated the phase transition of amorphous VO₂ - EGT. In addition, we quantitatively modeled the phase transition of amorphous VO₂ and classified different thicknesses of VO₂ into "strong system" (>5 nm) and "fragile system" (0-2 nm). For the strong system, the material properties are less affected by temperature, and the Arrhenius model is used to describe the electron transport of VO₂ phase transition. While for the fragile system, the material properties are more affected by temperature fluctuations, and the Vogel-Tammann-Fulcher model can be used for analysis. The results demonstrate the phase transition mechanism of amorphous materials and provide a new idea for understanding phase transition. In addition, this direct method of growing ultrathin VO₂ using magnetron sputtering is convenient and fast, and it can be grown in the same batch with other materials within the heterostructure, which is expected to promote the application of phase transition materials in practical devices.(2) We explored a method to dynamically regulate the interlayer exchange coupling by phase transition: we introduced the VO₂ into the ferromagnetic/nonmagneticspacer/ferromagnetic heterostructure, and successfully realized the reversible transformation of the antiferromagnetic coupling and ferromagnetic coupling through regulating conduction electrons by MIT of VO₂. At the same time, from the analysis of the change of magnetic properties, we clarify that the IEC induced by VO₂ in different electronic states is dominated by the RKKY and spin dependent tunneling. Furthermore, we fully investigate the physical root behind the regulation of IEC by the VO₂, and reveal the regulation mechanism of the interface spin effect by the regulation of electronic states of non-magnetic spacer. This part of the work proposes a novel approach to the dynamic regulation of IEC, which provides new ideas for the application of IEC in spintronic devices.(3) We study the dynamic regulation of spin-polarized hot electron transport by phase transition: In a ferrimagnetic/nonmagnetic diffusion channel/ferromagnetic heterostructure, we introduce VO₂ into the diffusion channel to control the electrical properties of the channel by MIT, and then dynamically regulate the transport of spin-polarized hot electrons generated by the ultrafast demagnetization of GdCo. By regulating the on/off of hot electrons in the channel, we achieve dynamic regulation of the magnetization of adjacent ferromagnetic layers. Meanwhile, with the optical property changes introduced by VO₂, we have successfully achieved the switching of the magnetization of ferromagnetic materials without AOS in ferrimagnetism excited by a single-pulse femtosecond laser. Furthermore, we have verified and analyzed the mechanism of this ultrafast modulation. In this work, we use the phase transition material VO₂ as a diffusion channel with controllable electrical properties to control the hot electron transport through MIT. The results show that the non-magnetic materials play an important role in various types of heterostructures

Afin de répondre aux besoins des futures technologies de stockage magnétique à haute densité, à faible consommation d’énergie et à haut débit, le développement d’une nouvelle méthode de manipulation de l’aimantation avec des temps d’inversion d’aimantation plus courts et une consommation d’énergie plus faible est l’une des tâches urgentes dans le domaine de la spintronique. La technologie laser à impulsions ultracourtes offre une nouvelle façon de manipuler le spin sur une échelle de temps femtoseconde, suscitant un grand intérêt de recherche dans les universités et l’industrie. Deux méthodes de contrôle de l’aimantation par laser, l’interrupteur à corrélation d’hélicoïdalité totale (AO-HDS) et l’interrupteur à corrélation d’hélicoïdalité totale (AO-HIS), ont récemment été découvertes et leurs mécanismes, comportements et applications ont fait l’objet de nombreuses discussions. Cependant, l’origine de ces deux phénomènes reste très controversée et ce sera la tâche principale de cet article. Le mécanisme de l’AO-HDS a été étudié à l’aide d’un empilement multicouche Co/Pt présentant le phénomène AO-HDS. La membrane a été réalisée sur un barreau de Hall en un carré magnétique de 10x10 um^2 et son comportement de commutation a été observé à différentes échelles de temps. La commutation de cette cellule magnétique peut être démontrée par dix impulsions laser successives polarisées circulairement. La dynamique de spin de AO-HDS peut être comprise par thermonucléation de domaine magnétique induite par Gradient thermique et propagation de paroi de domaine. Au cours des dernières années, l’AO-HIS n’a jamais été observé dans d’autres alliages de métaux de transition de terres rares, à l’exception du fait que la terre rare est Gd. Pour étudier les caractéristiques de GD, on a cultivé et étudié une série d’alliages GdRCo (R pour Tb, Dy ou Ho), l’AO-HIS peut être observé lorsque la composition de R est aussi faible que 1,5% au voisinage du point de compensation du ferromagnétique. Les diagrammes d’état décrivant les paramètres clés qui dépendent de la concentration de l’élément et de la dynamique de spin dans divers échantillons ont été étudiés, ce qui donne quelques suggestions sur l’origine de l’AO-HIS et ses applications futures en ingénierie
To meet the future needs of high density, low power consumption, and fast rate of magnetic storage technology, it is one of the urgent tasks in the field of spintronics to develop a new method of magnetization manipulation with shorter magnetization reversal time and lower energy consumption. Ultrashort pulsed laser technology offers a new way to manipulate spins in femtosecond timescale, sparking great research interest in both academia and industry. Two methods of controlling magnetization by laser, all-optical helicity-dependent switching (AO-HDS) and all-optical helicity-independent switching (AO-HIS), are discovered recently and raise numerous discussion on their mechanisms, behaviors and applications. However, the origin of two phenomena is still largely debated, which will be the main task of this thesis. A Co/Pt multilayered stack exhibiting AO-HDS phenomenon is employed to study the mechanism of AO-HDS. The film is fabricated to a 10x10 um^2 magnetic square on a Hall bar and its switching behavior is observed optically and electrically at different timescale. The switching of this magnetic unit can be demonstrated with ten consecutive circularly polarized laser pulses. The spin dynamics of AO-HDS can be understood in terms of the magnetic domain thermal nucleation and domain wall propagation driven bythermal gradient. For the past years, AO-HIS has never been observed in other rare-earth transition-metal alloys except when the rare-earth is Gd. To study the speciality of Gd, a complete series of GdRCo (R represents Tb, Dy or Ho) alloys is grown and investigated, it is demonstrated that AO-HIS can be observed when the composition of R is as low as 1.5% near the compensation point of ferrimagnet. State diagrams describing the key parameters depending on the element concentrations and spin dynamics in various samples are studied, providing some suggestion on the origin of AO-HIS and its engineering application in the future

Les mémoires magnétiques actuelles commencent à atteindre leurs limites physiques en terme de stabilité, vitesse et consommation énergétique, alors que la course à la miniaturisation s'intensifie. Le champ émergeant de la spintronique étudie le comportement collectif des spins dans la matière ainsi que leurs interactions aux interfaces, afin de trouver une solution en termes de matériaux, architectures et sources excitatrices. En particulier, les matériaux antiferromagnétiques sont particulièrement prometteurs. Ces matériaux ordonnées sont abondants, naturellement stables, robustes, ultra rapides et compatibles avec l'électronique des isolants. En effet, la plupart des oxydes à base de métaux de transition sont des isolants antiferromagnétiques ayant leur fréquence de résonance dans le terahertz et un champ de flop de quelques dizaines de teslas. Ils peuvent aussi être semi-métalliques, métalliques, semiconducteurs, supraconducteurs ou multiferroïques. Cette thèse s'intéresse aux deux antiferromagnétiques: oxyde de nickel (NiO) et ferrite de bismuth (BiFeO₃). NiO est un antiferromagnétique type à température ambiante, avec une structure cristalline simple. Une étude basée sur des simulations dynamiques atomiques montre que des courants de spin atteignables peuvent réaliser une mémoire à trois états avec ce composé, avec un temps de réponse de l'ordre de la picoseconde. La simulation explique aussi la formation de structures chirales dans BiFeO₃, un antiferromagnétique également ferroélectrique, présentant un couplage magnétoélectrique entre ses deux ordres. Dans une deuxième partie, les domaines antiferromagnétiques dans BiFeO₃ sont observés expérimentalement par génération de seconde harmonique optique, avec une résolution spatiale de un micron. Les domaines antiferromagnétiques de BiFeO₃ sont ensuite excités par une impulsion laser intense, et la dynamique des deux ordres couplés (antiferromagnétisme et ferroélectricité) est étudiée dans le régime picoseconde. Enfin, l'injection d'impulsions de spins dans dans un antiferromagnétique, tel que BiFeO₃ ou NiO est envisagée en utilisant la génération de courant de spin induite par la désaimantation ultrarapide de couches adjacentes magnétiques par des impulsions laser
Current magnetic memory devices are reaching their physical limits in terms of stability, speed and power consumption as the race to miniaturization intensifies. The emergent research field of spintronics studies the collective behavior of spins in matter and their interplay at interfaces, to find new avenues in terms of materials, architectures and stimulation sources. A particularly promising group of materials are the antiferromagnets. These abundant magnetically ordered materials are naturally stable, robust, ultra-fast and compatible with insulator electronics. Indeed, most transition metal oxide compounds are antiferromagnetic insulators, have resonance in the terahertz range and flop fields of tens of teslas. They can also be semi-metals, metals, semiconductors, superconductors or multiferroics. This thesis focuses on two antiferromagnets: nickel oxide (NiO) and bismuth ferrite (BiFeO₃). NiO is the archetypical antiferromagnet at ambient temperature with a simple crystalline structure. Using dynamical atomistic simulations, I show that this compound can be the elemental brick of a three state memory device controlled by currently available pulses of spin currents, with a picosecond response time. The simulations also explain the formation of chiral structures in BiFeO₃, a ferroelectric antiferromagnet with magnetoelectric coupling between the two orders. In a second part, antiferromagnetic domains in BiFeO₃ are experimentally observed using second harmonic generation of light, with a sub-micron spatial resolution. Antiferromagnetic domains of BiFeO₃ are then excited by an intense femtosecond laser pulse, and the dynamics of the two coupled orders (antiferromagnetism and ferroelectricity) is studied with a sub-picosecond time resolution. Finally, the injection of spin current in an antiferromagnet such as BiFeO₃ or NiO is envisioned by characterizing the spin bursts generated by ultrafast laser-induced demagnetization of adjacent ferromagnetic layers

Ce travail de thèse est une contribution à l'étude des propriétés de spin dans les semiconducteurs par spectroscopie de photoluminescence et par photoconductivité en vue d’applications possibles dans le domaine de l’électronique du spin.Nous avons analysé les propriétés de spin des électrons de conduction dans les matériaux semiconducteurs nitrures dilués, massif et puits quantiques (GaAsN, GaAsN/GaAs). Nous avons étudié le mécanisme de recombinaison dépendante du spin des électrons de conduction sur les centres paramagnétiques induits par l’introduction d’azote dans GaAs. Nous avons mis en évidence l’effet de « filtrage » de spin des électrons de conduction que ce mécanisme peut induire ; en particulier, nous avons mené des études détaillées en fonction de la concentration d’azote, de la puissance excitatrice, d’un champ magnétique externe et, pour les hétérostructures, de l’épaisseur des puits quantiques. L’origine chimique des centres paramagnétiques a été, de plus, identifiée par des études de résonance paramagnétique détectée optiquement (ODMR).Nous avons également complété ces études purement optiques sur la recombinaison dépendante du spin, par des expériences de photoconductivité en vue d’applications possibles liées à l’électronique du spin. Nous avons montré que la photoconductivité des matériaux nitrures dilués peut être contrôlée par la polarisation de la lumière incidente. Un détecteur électrique de la polarisation de la lumière à base de GaAsN a été ainsi fabriqué et testé.Ces résultats ont été également interprétés et simulés grâce à un système d’équations dynamiques pouvant rendre compte à la fois des résultats de photoluminescence et de transport
This thesis work is a contribution to the investigation of the spin properties of semiconductors by photoluminescence and photoconductivity spectroscopy with the aim of future applications in the spintronic field. We have studied the conduction band electron spin properties of dilute nitride semiconductors in epilayers and quantum wells (GaAsN, GaAsN/GaAs). In particular, we have investigated the spin dependent recombination of conduction band electrons on deep paramagnetic centers induced by the introduction of nitrogen into GaAs. We have also evidenced the “spin filtering” effect made possible by this spin dependent recombination mechanism. More precisely, we have carried out a systematic study of the spin filtering effect as a function of the nitrogen concentration, excitation power, external magnetic field and, for the hetero-structures, as well as a function of the quantum well thickness. The chemical origin of the deep paramagnetic centers has been also determined by optically detected magnetic resonance (ODMR). We have completed these all-optical studies on the spin dependent recombination by photoconductivity experiments in order to demonstrate a “proof of concept” system for spintronic applications. We have shown that the photoconductivity in dilute nitride semiconductors can be controlled by the polarization of the incident light: an electrical detector of the light polarization has therefore been built. These results have been as well modeled thanks to a rate equation system able to reproduced both the photoluminescence and photoconductivity experimental results

L'amélioration des techniques de dépôts et l’évolution de la compréhension de la physique de la matière condensée a conduit à la découverte de phénomènes nouveaux en électronique de spin (spintronique). En particulier, le retournement de l’aimantation par couple de transfert de spin et couple spin-orbite, ainsi que le développement de dispositifs basés sur la propagation d’ondes de spin ont fait de l’amortissement magnétique de Gilbert un paramètre central pour les futures technologies de stockage et de traitement de l’information. Dans cette étude, la prédiction de valeurs très faibles d’amortissement dans les alliages d’Heusler demi métaux magnétiques Co2MnZ est expérimentalement observée et directement corrélée à la structure électronique sous-jacente. En effet, en substituant l’élément Z dans des couches minces monocristallines de haute qualité de Co2MnZ (Z= Al, Si, Ga, Ge, Sn, Sb) faites par épitaxie par jet moléculaire, les propriétés électroniques telles que le gap de spin minoritaire, la position du niveau de Fermi et la polarisation en spin peuvent être accordées et leurs conséquences sur la dynamique de l’aimantation sont analysées. Les résultats expérimentaux nous permettent de comprendre la relation existante entre la structure électronique mesurée et la valeur d’amortissement magnétique, ainsi que de les comparer aux calculs ab initio. Les valeurs d’amortissement entre 4.1 x10-4 et 9 x10-4 pour Co2MnSi, Co2MnGe, Co2MnSn et Co2MnSb sont les plus petites valeurs jamais reportées pour des couches conductrices et constituent une preuve expérimentale qui confirme les prédictions théoriques sur ces alliages d’Heusler demi métaux magnétiques. Ensuite, la relation entre l’amortissement magnétique de Gilbert et le temps de désaimantation ultra-rapide induit par pulse laser dans la série d’alliages quaternaires Co2MnSixAl1-x à polarisation en spin variable est étudiée. Cette partie vise à vérifier des modèles théoriques qui essaient d’unifier ces deux quantités vivant sur des échelles de temps différentes. Finalement, les propriétés structurales et magnétiques de super réseaux Mn3Ga/Co2YZ sont étudiées dans le but de combiner un amortissement de Gilbert très faible, un gap de spin minoritaire ainsi que l’aimantation perpendiculaire aux plans des couches, une caractéristique indispensable pour des dispositifs à faible consommation d’énergie
Improvements in thin film elaboration methods and a deeper understanding of condensed matter physics have led to new exciting phenomena in spin electronics (spintronics). In particular, magnetization reversal by spin-orbit and spin-transfer torque as well as the development of spin waves based devices have placed the Gilbert magnetic damping coefficient as a key parameter for future data storage and information processing technologies. The prediction of ultralow magnetic damping in Co2MnZ Heusler half-metal magnets is explored in this study and the damping response is shown to be linked to the underlying electronic structure. By substitution of the Z element in high quality Co2MnZ (Z=Al, Si, Ga, Ge, Sn and Sb) epitaxial thin films grown by molecular beam epitaxy, electronic properties such as the minority-spin band gap, Fermi energy position in the band gap, and spin polarization can be tuned and the consequences for magnetization dynamics analyzed. Experimental results allow us to directly explore the interplay of spin polarization, spin gap and Fermi energy position, with the magnetic damping obtained in these films (together with predictions from ab initio calculations). The ultralow magnetic damping coefficients measured in the range from 4.1 x10-4 to 9 x10-4 for Co2MnSi, Co2MnGe, Co2MnSn and Co2MnSb are the lowest values ever reported in conductive layers and offer a clear experimental demonstration of theoretical predictions on half metal magnetic Heusler compounds. Then, the relation between the Gilbert damping and the ultrafast demagnetization time in quaternary Co2MnSixAl1-x compounds with a tunable spin polarization is analyzed. This way, it is possible to confront theoretical models unifying those two quantities that live in different timescales. Finally, structural and magnetic properties of Mn3Ga/Co2YZ Heusler superlattices are investigated in order to combine ultralow Gilbert damping coefficient, minority spin band gap and perpendicularly magnetized heterostructures, another requirement for low energy consumption devices. Through the present work, we aim to prove that Heusler compounds provide an excellent playground to study fundamental magnetism and offer a pathway for future materials design