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Contrat doctoral H/F Nouvelles sources rapides THz continues exploitant les émetteurs large bande à effet Spin Hall inverse

 
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WorkplaceVilleneuve-d’Ascq, Nord-Pas-de-Calais, France
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Contrat doctoral H/F Nouvelles sources rapides THz continues exploitant les émetteurs large bande à effet Spin Hall inverse

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Informations générales

Référence : UMR8520-FRELEF-048
Lieu de travail : VILLENEUVE D ASCQ
Date de publication : jeudi 13 février 2020
Nom du responsable scientifique : Nicolas TIERCELIN
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 4 mai 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 ¤ brut mensuel

Description du sujet de thèse

Dans le cadre du FET OPEN s-NEBULA (un partenariat franco-allemand-suédois-tchèque dirigé par THALES SA), une approche révolutionnaire de la génération de rayonnement THz est explorée en exploitant l’interaction spin-orbite (SO) ultrarapide à l’interface entre les couches minces métalliques magnétiques/non magnétiques. Dans l’effet Hall à spin inverse (ISHE), un courant de charge net est créé lorsqu’un courant polarisé par le spin est injecté dans un métal lourd 5d qui présente un fort couplage SO. En utilisant de courtes (~10fs) impulsions laser femtoseconde (d’une énergie de quelques nJ) sur une multicouche métallique de Co/Pt pour créer des impulsions de courant de spin rapide, un consortium de recherche allemand (et qui fait maintenant partie du projet s-NEBULA) a démontré il y a quelques années seulement que l’impulsion de charge ultra-rapide due à l’ISHE et se produisant dans la couche de Pt (~100fs), provoque une émission dans la gamme de fréquences THz. L’avantage de ce nouveau type d’émetteur spintronique est multiple. En plus d’être compact et de fonctionner à température ambiante, son principe, qui exploite les temps de relaxation ultra-rapides des électrons dans les métaux et n’est pas entravé par l’absorption des phonons, lui permet d’être à ultra large bande et potentiellement accordable en polarisation en contrôlant l’aimantation dans la couche ferromagnétique. Actuellement, il n’existe pas un seul émetteur THz à semi-conducteurs capable d’offrir de telles performances. Une telle source peut donc avoir un impact considérable en permettant par exemple la spectroscopie THz à ultra large bande mais aussi en servant d’émetteur pour des communications THz sécurisées à des fréquences porteuses qui ne sont pas directement accessibles (au-delà de 5THz).

Pourtant, le domaine de la spintronique THz en est à ses débuts et il reste beaucoup à explorer. Pour ne citer que quelques axes de recherche : optimisation des combinaisons de matériaux métalliques, exploration d’autres mécanismes de conversion spin/charge, modulation (magnétique) du signal THz, et surtout génération d’une émission en onde continue (CW) de rayonnement THz par photomixage de deux lignes laser intenses sur une multicouche FM/NM. Ce dernier défi reste précisément un terrain de recherche très fertile, car jusqu’à présent, tous les émetteurs spintroniques THz démontrés fonctionnent en mode pulsé.

Contexte de travail

Le candidat au doctorat qui sera engagé dans le cadre du projet FET OPEN s-NEBULA sera chargé de démontrer la possibilité de créer une émission THz à onde continue en utilisant les effets spintroniques. Une telle démonstration serait une première mondiale. Dans un deuxième temps, on étudiera comment la polarisation du signal en ondes entretenues peut être rapidement modulée en réorientant la direction de l’aimantation dans les couches ferromagnétiques. Pour cela, on étudiera si les effets magnétoélastiques rapides (couplage de l’aimantation à la déformation statique et/ou ondes acoustiques) permettent une inversion rapide de l’aimantation. D’autres approches exploitent les inversions rapides de l’aimantation dans les systèmes à fortes anisotropies magnétiques induites.
Dans ce cadre, le/la doctorant(e) sera impliqué(e) et dirigera certaines des étapes des travaux de recherche : de la modélisation numérique de l’excitation optique des courants de spin, en passant par la microfabrication des multicouches métalliques, à la caractérisation magnétique, optique et optoélectronique ultrarapide des émetteurs spintroniques. Le/la candidat(e) jouera un rôle actif dans le développement du nouveau banc expérimental pour ce projet. Il/elle sera également pleinement impliqué(e) dans les tenants et aboutissants du projet de l’UE et, à ce titre, fera partie d’un consortium de recherche de haut niveau et acquerra une expérience pratique des défis que représentent le respect des étapes et des résultats de la recherche, la participation aux réunions d’avancement du consortium et aux réunions d’examen de la commission.

Le/la candidat(e) idéal(e) a une formation en physique des solides ou en optoélectronique, avec un intérêt marqué pour la caractérisation des phénomènes ultrarapides. Une formation en magnétisme est un atout certain. Les groupes de recherche de l’IEMN concernés (photonique THz et AIMAN-FILMS) ont une longue expérience de la recherche dans le domaine de la photonique THz en général (allant des études fondamentales aux applications de systèmes complets) et du contrôle dynamique des phénomènes magnétiques. Les deux groupes de recherche disposent d’un ensemble d’équipements permettant de relever immédiatement tous les défis de recherche du projet s-NEBULA (lasers fs, installations de photomixage, magnétomètres, outils de pulvérisation cathodique pour le dépôt de structures magnétiques avec un accent sur les matériaux magnétoélastiques, détecteurs THz et spectroscopie, ...). L’IEMN dispose d’une des plus grandes salles blanches académiques (1500m2) en France, offrant toutes les infrastructures technologiques nécessaires à la fabrication de systèmes micro- et nano-optoélectroniques et micro- et nano-électromécaniques.

Contraintes et risques

Travail en salle blanche

Web

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