Topic description
Le développement d'une approche par empilement, combinant des couches ultrafines de matériaux van der Waals aux propriétés différentes, a révolutionné la science des matériaux, permettant la fabrication d'hétérostructures et de dispositifs artificiels aux propriétés sur mesure. Les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) présentent de fortes interactions lumière-matière régies par leur réponse excitonique, permettant la détection optique de diverses propriétés physiques impliquant des réponses magnétiques, chimiques ou électroniques via des effets de proximité avec l'environnement et interfaces proches. Parmi les exemples remarquables de sensibilité à l'environnement, on peut citer les excitons de Rydberg dans les monocouches de MoSe₂, qui détectent l'effet Hall quantique fractionnaire dans le graphène sous-jacent.
Dans le cadre de ce projet, nous proposons d'étudier la dynamique spatio-temporelle de la magnétisation dans les dispositifs spintroniques en utilisant les réponses cohérentes ultra-rapides des excitons dans les monocouches TMD. Notre approche repose sur l'exploitation de l'effet de proximité entre une hétérostructure TMD et un film mince spintronique, tel qu'un film Mn₄N épitaxial. Nous utiliserons la série de Rydberg des excitons TMD pour sonder l'état magnétique variable et voisin. Les fonctions d'onde des états excités de ces excitons s'étendent hors du plan, bien au-delà de la monocouche, et sont donc très sensibles aux conditions environnementales et aux fluctuations électroniques et magnétiques. Afin d'améliorer la sensibilité de la sonde optique, nous utiliserons des outils de spectroscopie non linéaire, en particulier la microscopie de mélange à quatre ondes (four-wave mixing, FWM). Nous proposons ici le concept de détection par effet de proximité en utilisant la haute sensibilité de la spectroscopie FWM et la forte réponse non linéaire des excitons dans les TMD pour détecter les changements de magnétisation des films minces et, en particulier, pour résoudre le mouvement des parois de domaines magnetiques avec une résolution de l'ordre de la picoseconde.
Ce projet de thèse en co-tutelle entre l'UGA et l'Université de Tsukuba (UT) s'inscrit dans le cadre de la collaboration scientifique internationale entre le CNRS, l'UGA et l'UT, officialisée par le Laboratoire international J-FAST. Ce projet est notamment le fruit de la collaboration récemment engagée entre le coordinateur du projet et Suemasu-sensei, qui dirige un laboratoire à l'Université de Tsukuba consacré à la croissance épitaxiale et à la sputtering de matériaux spintroniques. La collaboration avec Suemasu-sensei nous donne accès à des échantillons développés spécifiquement pour ce projet.
Le projet se déroulera en 3 étapes : La première année de la thèse le doctorant passera au Japon, à l'Université de Tsukuba, pour réaliser la croissance par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) de films minces ferrimagnétiques Mn₄N sur des substrats SrTiO₃. Ce matériau présente des propriétés remarquables telles qu'une faible magnétisation, une anisotropie magnétique perpendiculaire, un angle de Hall extraordinaire très élevé de 2 % et des domaines magnétiques lisses à l'échelle millimétrique. De plus, les parois de domaine peuvent être déplacées à des vitesses record pouvant atteindre 1 km/s (1 µm/ns) par des courants polarisés en spin en l'absence de couples spin-orbite. Ensuite, à l'aide de la lithographie par faisceau d'électrons disponible à l'UT, les films minces seront fonctionnalisés en dispositifs spintroniques permettant d'engager un mouvement directionnel des parois de domaine. Nous assemblerons un dispositif hybride composé d'une monocouche de MoSe₂ encapsulée et transférée sur la surface d'un film mince magnétique. Enfin, la spectroscopie FWM sera réalisée à Grenoble sur les excitons de Rydberg d'une telle structure TMD/spintronique dans le but de détecter et de mesurer la dynamique du mouvement des parois de domaine.
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The development of a stacking approach, combining ultrathin layers of van der Waals materials with different properties, has revolutionised materials science, enabling the manufacture of heterostructures and artificial devices with tailor-made properties. Transition metal dichalcogenide (TMD) monolayers exhibit strong light-matter interactions governed by their exciton response, enabling the optical detection of various physical properties involving magnetic, chemical, or electronic responses via proximity effects with the environment and nearby interfaces. Notable examples of environmental sensitivity include Rydberg excitons in MoSe₂ monolayers, which detect the fractional quantum Hall effect in the underlying graphene.
As part of this project, we propose to study the spatio-temporal dynamics of magnetisation in spintronic devices using the ultra-fast coherent responses of excitons in TMD monolayers. Our approach is based on exploiting the proximity effect between a TMD heterostructure and a thin spintronic film, such as an epitaxial Mn₄N film. We will use the Rydberg series of TMD excitons to probe the variable and neighbouring magnetic state. The wave functions of the excited states of these excitons extend out of plane, well beyond the monolayer, and are therefore very sensitive to environmental conditions and electronic and magnetic fluctuations. In order to improve the sensitivity of the optical probe, we will use non-linear spectroscopy tools, in particular four-wave mixing (FWM) microscopy. We propose the concept of proximity effect detection using the high sensitivity of FWM spectroscopy and the strong nonlinear response of excitons in TMDs to detect changes in the magnetisation of thin films and, in particular, to resolve the movement of magnetic domain walls with picosecond resolution.
This joint thesis project between UGA and the University of Tsukuba (UT) is part of the international scientific collaboration between CNRS, UGA and UT, formalised by the J-FAST International Laboratory. This project is the result of a recent collaboration between the project coordinator and Suemasu-sensei, who heads a laboratory at the University of Tsukuba dedicated to epitaxial growth and sputtering of spintronic materials. The collaboration with Suemasu-sensei gives us access to samples developed specifically for this project.
The project will be carried out in three stages: The doctoral student will spend the first year of the thesis in Japan, at the University of Tsukuba, to carry out the growth of ferrimagnetic Mn₄N thin films on SrTiO₃ substrates using molecular beam epitaxy (MBE). In addition, domain walls can be moved at record speeds of up to 1 km/s (1 µm/ns) by spin-polarised currents in the absence of spin-orbit coupling. Next, using electron beam lithography available at the UT, the thin films will be functionalised into spintronic devices capable of initiating directional movement of the domain walls. We will assemble a hybrid device consisting of a single layer of MoSe₂ encapsulated and transferred onto the surface of a magnetic thin film. Finally, FWM spectroscopy will be performed in Grenoble on the Rydberg excitons of such a TMD/spintronic structure in order to detect and measure the dynamics of domain wall motion.
In terms of the scientific environment, this project will forge links between teams working on magnetism and semiconductor optics (Institut Néel, LNCMI and SPINTEC). It is relevant at national level (magnetometry in Montpellier, ferroelectric switching at INSA Toulouse, ultra-fast magnetisation dynamics in Strasbourg).
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Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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