Magnetization dynamics of magnetic nanostructures: studies perfumed by using a femtosecond magneto-optical Kerr microscope

The thesis deals with experimental studies of the laser induced spin dynamics in magnetic nanostructures. First, we studied the spin dynamics of individual ferromagnetic discs of CoPt3 and permalloy (the diameter vary from 0.25 μm to 30 μm). The experimental set-up consists in time resolved Kerr magneto-optical pump probe measurements in the confocal geometry (the spatial resolution is 300 nm; the temporal resolution is 150 fs). We showed that the spin dynamics depends strongly on the pump intensity particularly the spin-lattice time relaxation and the frequency of magnetization precession. We also studied the spatial expansion of the demagnetisation in a single dot. Additionally, we developed a powerful technique named Magneto-Optical Pump Probe Imaging (MOPPI) used for studying the magnetization switching in CoPt films and in individual dots. We explored the influence of different parameters: the laser intensity, the external static magnetic field, and the crystalline character of the sample (alloy, multilayer) on the magnetization switching. Finally, we performed Magnetic Force Microscopy imaging of the laser induced magnetic domains. We also studied the coherent spin dynamics of magnetic nanoparticles (the average diameter varies from 2 nm to 10 nm) excited with femtosecond laser pulses. The analysis of the three spatial components of the magnetization (polar, longitudinal, and transverse) after the optical excitation (> 120 fs) brings useful information about the ultrafast demagnetization, the gyroscopic motion (precession and damping of the magnetization) that preceeds the super-paramagnetic fluctuations. We explored the influence of the magnetic anisotropy on the ultrafast reorientation of the magnetization and we demonstrated that the damping increases when the diameter of particles decreases.
La thèse traite d'un point de vue expérimental la dynamique d'aimantation induite par laser femtoseconde de nanostructures magnétiques. En premier lieu, nous nous sommes intéressés à la dynamique de spins dans des plots ferromagnétiques individuels de CoPt3 et de permalloy (le diamètre varie de 0.25 à 30 Μm). Le montage expérimental consiste en des mesures magnéto-optique Kerr pompe sonde en géométrie confocale (la résolution spatiale est 300 nm ; la résolution temporelle est 150 fs). Nous avons montré que la dynamique d'aimantation dépend fortement de la densité d'excitation laser notamment le temps de relaxation spin-réseau et la fréquence de précession. Nous avons également étudié l'expansion spatiale de la désaimantation dans un plot individuel. De plus, nous avons développé une technique d'imagerie résolue en temps permettant d'étudier le renversement d'aimantation dans des films et plots individuels de CoPt. Nous avons exploré l'effet des différents paramètres : intensité laser, champ magnétique appliqué, et la nature cristalline du substrat (alliage, multicouches) sur le renversement d'aimantation. Enfin, nous avons étudié par microscope à force magnétique la structure des domaines magnétiques induite par laser. Nous avons également étudié la dynamique cohérente d'aimantation de nanoparticules magnétiques (le diamètre moyen varie de 2 à 10 nm) excitées par des impulsions laser. L'analyse de la trajectoire d'aimantation dans les trois directions de l'espace (polaire, longitudinal, transverse) après l'excitation optique (> 120 fs) nous a permis de mettre en évidence la désaimantation ultrarapide (~ 200 fs), le mouvement gyroscopique de l'aimantation (précession et l'amortissement de l'aimantation) qui précède les fluctuations super-paramagnétiques. Nous avons exploré le rôle de l'anisotropie magnétique sur la réorientation initiale de l'aimantation et nous avons montré que le damping augmente avec la diminution de la taille de particules.