Добірка наукової літератури з теми "Ultrafast magnetization reversal"

Single-pulse magnetization switching by femtosecond laser pulses is the fastest way to manipulate magnetization. To date, among rare-earth transition metal alloys, single-pulse switching is limited to Gd-based structures. Here, we demonstrate ultrafast single-pulse switching of Tb-dominant CoTb alloys within several tens of picoseconds. Our further analysis shows that the ultrafast magnetization reversal is linked to ultrafast heating of laser pulses and an external field.

A theoretical approach to the consistent full quantum description of the ultrafast population transfer and magnetization reversal in superconducting meta-atoms induced by picosecond unipolar pulses of a magnetic field is developed. A promising scheme based on the regime of stimulated Raman Λ-type transitions between qubit states via upper-lying levels is suggested in order to provide ultrafast quantum operations on the picosecond time scale. The experimental realization of a circuit-on-chip for the discussed ultrafast control is presented.

The transfer of spin angular momentum from a spin polarized current provides an efficient way of reversing the magnetization direction of the free layer of the magnetic tunnel junction (MTJ), and while faster reversal will reduce the switching energy, this in turn will lead to low power consumption. In this work, we propose a design where a spin torque oscillator (STO) is integrated with a conventional magnetic tunnel junction (MTJ) which will assist in the ultrafast reversal of the magnetization of the free layer of the MTJ. The structure formed (MTJ stacked with STO), will have the free layer of the MTJ sandwiched between two spin polarizer layers, one with a fixed magnetization direction perpendicular to film plane (main static polarizer) and the other with an oscillatory magnetization (dynamic polarizer). The static polarizer is the fixed layer of the MTJ itself and the dynamic polarizer is the free layer of the STO.

La demande de stockage de données a connu une croissance exponentielle, alimentée par la dépendance croissante du monde à l'égard de l'information numérique. Cette croissance a catalysé le développement de technologies plus rapides et plus éco-énergétiques. Ce développement coïncide avec les objectifs de la spintronique, un domaine visant à réduire la consommation d'énergie dans le stockage de données magnétiques en explorant des alternatives basées sur le spin. En conséquence, des recherches approfondies ont été consacrées à la manipulation de la magnétisation (c'est-à-dire les spins), qui est au cœur de la spintronique, formant un programme de recherche substantiel et durable. La vitesse et l'efficacité de cette manipulation dépendent des méthodes d'écriture utilisées et des propriétés des matériaux magnétiques impliqués, nécessitant ainsi une compréhension approfondie des mécanismes de manipulation sous-jacents. Parmi les différentes techniques d'écriture, l'utilisation d'impulsions laser ultracourtes (femtosecondes) a attiré une attention considérable en raison de sa capacité à exciter rapidement la magnétisation à l'échelle femtoseconde. Une seule impulsion laser femtoseconde a été démontrée pour induire une inversion complète de la magnétisation dans les matériaux magnétiques, un phénomène connu sous le nom de commutation optique complète indépendante de l'hélicité (AO-HIS). Cependant, le mécanisme sous-jacent et les critères de l'AO-HIS restent incomplètement compris. De plus, depuis le premier rapport de l'AO-HIS, cet effet a principalement été observé dans un groupe spécifique de matériaux magnétiques présentant une anisotropie magnétique perpendiculaire. De plus amples efforts et études sont nécessaires pour élargir l'applicabilité de l'AO-HIS. Pour atteindre cet objectif, cette thèse se concentre sur l'étude de l'AO-HIS dans une gamme de matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques caractérisés par une anisotropie magnétique dans le plan. Nous utilisons des impulsions laser femtosecondes pour induire l'inversion de la magnétisation dans ces matériaux. De plus, nous entreprenons une exploration systématique visant à comprendre l'AO-HIS en modifiant les propriétés magnétiques des hétérostructures magnétiques. Cette manipulation comprend la variation des concentrations d'alliage, des températures de Curie, des épaisseurs et du type de couches magnétiques. Nous considérons nos résultats comme cruciaux d'un point de vue fondamental. Les résultats expérimentaux de cette thèse sont présentés dans trois chapitres (Chapitres 4 à 6). Dans le Chapitre 4, nous avons largement discuté de la commutation optique complète déterministe observée dans une large gamme de concentrations d'alliage et d'épaisseurs dans les films minces de GdCo magnétisés dans le plan, en utilisant un système de microscopie à effet Kerr magnéto-optique basé sur un laser. Les Chapitres 5 et 6 explorent le processus de transition des multiples aux inversions uniques de la magnétisation dans les matériaux ferromagnétiques magnétisés dans le plan, induit par des impulsions de courant de spin optiquement générées
The demand for data storage has experienced exponential growth, driven by the world's increasing reliance on digital information. This growth has catalyzed the development of faster and more energy-efficient technologies. This development coincides with the objectives of spintronics, a field aimed at reducing energy consumption in magnetic data storage by exploring spin-based alternatives. As a result, extensive research has been dedicated to the manipulation of magnetization (i.e., spins), which lies at the heart of spintronics, forming a substantial and enduring research agenda. The speed and efficiency of this manipulation depend on the methods of writing employed and the properties of the magnetic materials involved, thus requiring a comprehensive understanding of the underlying manipulation mechanisms. Among the various writing techniques, the utilization of ultrashort (femtosecond) laser pulses has gained considerable attention for its capability to rapidly excite magnetization on the femtosecond timescale. A single femtosecond laser pulse has been demonstrated to induce full magnetization reversal in magnetic materials, a phenomenon known as all-optical helicity-independent switching (AO-HIS). However, the underlying mechanism and criteria for the AO-HIS remain incompletely understood. Moreover, since the initial report of AO-HIS, this effect has mainly been observed in a specific group of magnetic materials exhibiting perpendicular magnetic anisotropy. Further endeavors and studies are necessary to broaden the applicability of AO-HIS. In pursuit of this goal, this thesis focuses on investigating AO-HIS in a range of ferrimagnetic and ferromagnetic materials characterized by in-plane magnetic anisotropy. We employ femtosecond laser pulses to drive magnetization reversal in these materials. Furthermore, we undertake a systematic exploration aimed at comprehending AO-HIS by altering the magnetic properties of magnetic heterostructures. This manipulation includes varying alloy concentrations, Curie temperatures, thicknesses, and the type of magnetic layers. We consider our findings crucial from a fundamental perspective. The experimental findings of this thesis are presented in three chapters (Chapters 4 to 6). In Chapter 4, we extensively discussed the deterministic AO-HIS observed in a broad range of alloy concentrations and thicknesses in in-plane magnetized GdCo thin films, utilizing a laser-based magneto-optic Kerr effect microscopy system. Chapters 5 and 6 delve into the recipe of transitioning from multiple to single magnetization reversals in in-plane magnetized ferromagnetic materials, induced by optically generated spin current pulses

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