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Systèmes fortement hors d’équilibre


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Systèmes fortement hors d’équilibre

 

  • A. Transport d’électrons chauds

 

Dans une expérience conventionnelle de transport électronique (dans un conducteur ohmique notamment), les électrons de conduction ont une énergie proche de celle du niveau de Fermi. Dans le cas de l’effet tunnel, les électrons partent d’une des électrodes avec une énergie très supérieure supérieure à celle du niveau de Fermi de l’autre électrode. Par analogie avec l’effet de la température, on appelle les électrons qui se retrouvent dans la seconde électrode électrons chauds. Nous étudions comment ceux-ci se propagent alors dans les métaux, notamment magnétiques, et comment ils dissipent leur excès d’énergie.

 

Les électrons chauds correspondent à des états excités dont la durée de vie est finie, de l’ordre de quelques dizaines de femto-secondes. Si dans le transport, il est difficile d’aller sonder des temps de vie si courts, il est possible de mesurer leur longueur de propagation élastique (longueur d’atténuation), qui est le produit de leur temps de vie avec leur vitesse. Cette longueur est de l’ordre de quelques nanomètres. Elle est directement liée à la structure de bandes et est en première approximation proportionnelle au nombre d’états vides situés entre le niveau de Fermi et l’énergie de l’électron chaud. En pratique, le mécanisme principal pour la relaxation de l’énergie est l’interaction avec un électron situé en dessous du niveau de Fermi, ce qui crée, à l’issue de l’interaction, deux électrons chauds secondaires, d’énergie intermédiaire. Dans un métal ferromagnétique, à cause du décalage des bandes de spin majoritaires et minoritaires, la probabilité de relaxation de l’énergie d’un électron de spin minoritaire est plus grande que celle d’un électron de spin majoritaire, et il en résulte une différence de longueur d’atténuation.

 

Techniquement, pour étudier le transport d’électrons chauds, il faut ajouter, à l’issue de la couche métallique un filtre passe-haut en énergie. Nous réalisons ce filtre grâce à une interface métal-semiconducteur qui développe spontanément une barrière d’énergie (effet Schottky) de l’ordre de l’électron-volt. Les électrons qui n’ont pas perdu leur énergie à l’issue de la couche métallique peuvent traverser l’interface et être collectés dans le semiconducteur. Nous réalisons ces expériences en utilisant un microscope à effet tunnel (STM) qui permet l’injection d’électrons chauds d’énergie ajustable dans l’échantillon ; un tel microscope s’appelle microscope tunnel à électrons balistiques (BEEM en anglais). Pour obtenir un contraste magnétique, la couche métallique est constituée d’une multicouche ferromagnétique/métal/ferromagnétique et la transmission d’électrons chauds est fonction de l’alignement relatif des deux couches. En faisant varier l’épaisseur des couches magnétiques, il est possible de remonter à la valeur des longueurs d’atténuation. Par ailleurs, dans un échantillon pour lequel les couches magnétiques comportent des domaines magnétiques, il est possible d’utiliser cette technique pour révéler la structure en domaines. L’injection quasi-ponctuelle des électrons chauds permet d’obtenir une haute résolution spatiale, théoriquement de l’ordre du nanomètre.

 

 

Fig : Imagerie BEEM d’une bicouche magnétique. L’image révèle un alignement parallèle des aimantations des domaines (zones claires de forte transmission d’électrons balistiques) et un alignement antiparallèle dans les parois de domaines (zones sombres de faible transmission d’électrons balistiques). Les simulations micromagnétiques (en haut à droite) expliquent ce résultat par les couplages dipolaires au sein de l’échantillon.

 

  • B. Dynamique ultra-rapide de l’aimantation

 

 

Fig. : Représentation schématique des processus résultant de l’absorption d’une impulsion laser femtoseconde par un matériau ferromagnétique. L’impulsion laser est absorbée par les système électronique résultant dans l’augmentation quasi-instantanée de la température des électrons. L’interaction de Coulomb entre les états excités permet la thermalisation des électrons et trous chauds. Ce processus permet au système de récupérer une distribution de Fermi Dirac possédant toutefois une température électronique pouvant atteindre plusieurs centaines, voir milliers de Kelvin. L’augmentation de la température électronique induit une augmentation de la température des spins résultant dans la diminution de aimantation du système. Ensuite, la relaxation se fait par interaction électrons-phonons induisant ainsi une augmentation de la température du réseau.

 

Avec l’avènement des lasers impulsionnels et le développement de sources X femtoseconde, la dynamique ultra-rapide de l’aimantation fait actuellement l’objet d’une recherche intense donnant lieu à des résultats remarquables.

 

L’ordre ferromagnétique peut être considérablement altéré après absorption d’une impulsion laser ultra-brève, et cela sur une période de temps de quelques centaines de femtosecondes seulement. Bien que découvert depuis une dizaine d’années (ref), les phénomènes physiques en jeu lors de ce processus de désaimantation ultra-rapide restent encore mal compris. En particulier, afin de satisfaire la conservation du moment angulaire total, ce processus de désaimantation nécessite le transfert du moment angulaire de spin vers une autre partie du système. L’identification des processus microscopiques responsables de ce transfert reste une question clé pour la compréhension de ce phénomène physique.

 

Outre la perte d’aimantation photoinduite, l’interaction entre l’impulsion laser et le matériau ferromagnétique résulte en la création d’électrons chauds possédant une très forte mobilité. Dans le cas d’une multicouche magnétique de type vanne de spin, les électrons chauds ainsi créés peuvent être transmis d’une couche à l’autre produisant un transfert de spin à l’échelle de temps de la femtoseconde. Ce transfert de spin ultra-rapide résulte en l’altération de la dynamique de l’aimantation observé dans une couche unique ouvrant ainsi la voie à la manipulation de l’état magnétique d’une couche mince par transfert de spin à l’échelle de la femtoseconde.

 

Ces deux sujets sont actuellement étudiés dans notre groupe.