Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur

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Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur Strasbourg I ( Domaine : Physique de la matière condensée ) par Loïc Joly Étude du mouvement du spin d'électrons dans des systèmes ferromagnétiques mesuré en géométrie de réflexion par spectroscopie électronique résolue en spin Soutenue publiquement le 15/09/2006 Membres du jury : Rapporteur Interne : B. Doudin Rapporteur Externe : H.-J. Drouhin Examinateur : F. Gautier Rapporteur Externe : M. Hehn Directeur de Thèse : W. Weber

  • spin

  • polarisation des élec

  • electron

  • transfert du moment cinétique entre les électrons injectés

  • aimantation par le biais

  • rotation du vecteur polarisation vers l'aimantation

  • couche mince

  • aimantation


Publié le : vendredi 1 septembre 2006
Lecture(s) : 169
Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 157
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Thèse présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur
Strasbourg I
( Domaine : Physique de la matière condensée )
par
Loïc Joly
Étude du mouvement du spin d’électrons dans des systèmes
ferromagnétiques mesuré en géométrie de réflexion par
spectroscopie électronique résolue en spin
Soutenue publiquement le 15/09/2006
Membres du jury :
Rapporteur Interne : B. Doudin
Rapporteur Externe : H.-J. Drouhin
Examinateur : F. Gautier
Rapporteur Externe : M. Hehn
Directeur de Thèse : W. WeberiiA mes parents,
à ma soeur,
et à toute ma famille
"Sometimes it’s the search that counts, not the finding"
Aldous Gajic
Seeker of the Grail
Babylon 5, episode 15 "Grail"
iiiivRésumé
Cette thèse a été effectuée dans le cadre d’une thématique largement étudiée : le
transfert du moment cinétique entre les électrons injectés polarisés en spin et les électrons
établissant l’aimantation d’une couche mince magnétique. Il a été montré théoriquement
et expérimentalement qu’il était possible d’exciter une aimantation par le biais d’un fort
courantd’électronspolarisésenspinallantmêmejusqu’àobtenirunretournementcomplet
del’aimantationdansdesobjetsdetaillenanométrique.Ceteffetprometledéveloppement
de nouveaux dispositifs magnétiques dans lesquels l’aimantation serait excitée par des
électrons polarisés en spin au lieu d’un champ magnétique.
La conservation du moment cinétique total implique que le couple exercé sur l’aiman-
tation par les électrons est exactement opposé au couple exercé sur les électrons polarisés
par l’aimantation. L’étude de l’effet du transfert de moment cinétique ne se fait donc pas
nécessairement par l’utilisation d’un fort courant d’électrons polarisés qui va exciter l’ai-
mantation. L’étude de l’effet d’une aimantation sur un faible courant d’électrons polarisés
sera tout aussi représentatif.
De nombreuses expériences ont été effectuées en injectant des électrons polarisés dans
un film mince en géométrie de transmission avec une polarisation parallèle ou antiparal-
lèle à l’aimantation, mettant en évidence un fort effet de filtrage de spin. Mais dans cette
géométrie colinéaire, aucun couple n’est exercé sur le vecteur polarisation des électrons.
De nouvelles expériences de transmission dans une géométrie où la polarisation des élec-
trons incidents est perpendiculaire à l’aimantation, ont mis en évidence un mouvement
du vecteur polarisation, qui peut se décomposer en deux sous-mouvements. Un premier
mouvement dû à une absorption dépendante du spin dans la couche ferromagnétique est
une rotation du vecteur polarisation vers l’aimantation. Le second mouvement est une
précession de type Larmor autour de l’aimantation. Son origine provient de la création
d’un déphasage dépendant du spin entre les électrons réfléchis et les électrons incidents
lors de l’interaction avec la couche ferromagnétique.
Aucune de ces études fournie cependant d’information sur les électrons réfléchis. Afin
d’obtenir une image plus complète du processus de transfert du moment cinétique dans
des couches minces ferromagnétiques, une étude en géométrie de réflexion est maintenant
vnécessaire. C’est l’objet de ce présent travail.
La première partie de ce travail a consisté à étudier trois systèmes de couches minces
ferromagnétiques. Des couches polycristallines de Fe, de Co ou de Ni ont été déposées in-
situetàtempératureambiantesurunecouchetampond’Aupolycristallinsurunsubstrat
de verre. Le résultat principal découlant de ces expériences montre que le mouvement de
la polarisation des électrons est fortement lié à la structure de bandes électronique du
ferromagnétique.
La modélisation de la couche ferromagnétique par un modèle d’une marche de po-
tentiel dépendante du spin peut expliquer le comportement pour des énergies élevées. La
forte variation du mouvement du spin aux faibles énergies, cependant, s’explique par la
présence d’une bande interdite dépendante du spin dans la structure électronique du fer-
romagnétique. Des calculs ab initio corroborent cette interprétation. Cette partie aboutit
àuneconclusionimportante:pouravoirunangledeprécessionmaximaletdoncuntrans-
fert du moment cinétique maximal en géométrie de réflection , il faut choisir un matériau
qui possède un rapport de l’énergie d’échange sur la largeur de la bande interdite aussi
grand que possible.
La seconde partie de ce travail a porté sur l’étude du mouvement de spin dans des
puits quantiques formés par un film ferromagnétique de Co(001) recouvert d’un film non
magnétiquedeCu.L’apparitiond’étatsquantiquesdansdetelspuitsestàl’originedephé-
nomènes oscillatoires dans les films minces. De plus, la présence d’interfaces magnétiques
ajouteunedépendancedespinauconfinementquantique,quiintervientparexempledans
le cas de systèmes tels que Co/Cu/Co(001), où l’on observe une oscillation du couplage
d’échange entre les deux couches ferromagnétiques séparées par la couche métallique non
magnétique. Ce phénomène est aussi responsable des oscillations observées lors de me-
sures magnéto-optiques, de moments magnétiques induits, ou d’anisotropie magnétique.
Cependant, aucune étude n’avait encore été menée sur le mouvement du spin dans de tels
systèmes.
Dans un premier temps, des mesures en fonction de l’énergie des électrons ont révélées
des oscillations du mouvement du spin. Nous avons pu montrer qu’un lien certain existe
entre les oscillations du mouvement du spin et l’apparition des états de puits quantiques.
Dans une seconde expérience, nous avons observé des oscillations à la fois de l’intensité et
du mouvement du spin en fonction de l’épaisseur de la couche de couverture et ceci pour
plusieurs énergies des électrons incidents. Nous avons montré qu’un modèle d’interféro-
mètre électronique de type Fabry-Pérot permet de très bien modéliser ces oscillations. Ce
modèle nous a aussi permis de déterminer des paramètres comme le coefficient de réflecti-
vité ou la différence de phase entre les électrons de spin up et de spin down de l’interface
viCu/Co.
viiviiiRemerciements
Un très grand merci à
– Bernard Doudin, Henri-Jean Drouhin, François Gautier et Michel Hehn pour avoir
accepté de participer à mon jury de thèse.
– Marc Drillon et Charles Hirlimann de m’avoir accueilli à l’Institut de Physique et
Chimie des Matériaux de Strasbourg.
– Jean Paul Kappler de m’avoir accueilli dans le Groupe d’Etude des Matériaux Mé-
talliques.
– WolfgangWebermondirecteurdethèseavecquitravailleraétéuntrèsgrandplaisir.
Merci pour ta disponibilité, ta patience, tes conseils avisés, ta bonne humeur, tes
coups de main sur la manip, les discussions, les corrections, la recherche d’un post-
doc... , enfin tout quoi!
– Fabrice Scheurer pour tout tes conseils, tes nombreux coups de main et ton soutient
lors de ma recherche d’un post-doc.
– Jacques Faerber pour tes conseils et tes images par microscopie électronique à ba-
layage.
– Véronique Wernher pour m’avoir sorti de tout ces déboires administratifs, sa bonne
humeur et sa gentillesse.
– Corinne Ulhaq pour m’avoir appris à préparer des échantillons pour le TEM.
– Daniel Spor pour avoir résolu tout mes problèmes électroniques divers.
– Jacek Arabski et Manuel Acosta Mendez pour tout leurs conseils avisés.
– Guy Schmerber pour ses mesures de diffractions X.
– Silviu Colis pour ses mesures magnétiques sur AGFM.
– Victor Da Costa pour sa formation sur la microscopie à force atomique.
– Hicham Majjad et Martin Bowen qui partagent mon bureau. Merci à vous pour
votre bonne humeur quotidienne.
– Alain Carvalho pour sa formation sur le profilomètre.
– Arnaud Boulard pour la fabrication des pièces mécaniques.
ix– Mébarek Alouani et Jens Kortus pour leurs calculs de structure de bande électro-
nique.
– Jonathan Kin Ha pour son soutien lors de ma première année de thèse.
– Matthieu Bailleul, Eric Beaurepaire, Yves Henry, Christian Meny, Pierre Panissod,
Olivier Bengone, Samy Boukari et David Halley pour les discussions diverses lors
du café après le repas de midi.
– Guillaume Rogez pour sa bonne humeur constante.
– JulienVenuatpourcesmultiplesetdiversesdiscussionsautourd’uncaféoudurepas
de midi, merci à toi et à Perine pour l’après midi galette.
– Vincent Vlaminck pour la préparation de substrats de Si à moitiés recouvert de
résine ou de feutre pour la calibration des épaisseurs déposées lors des dépôts.
– Mes amis thèsards : Gabriel Vasseur, Guillaume Weick, Madjiid Abes, Peter Fal-
loon, Romaric Montsouka, Logane Tati Bismaths, Mircea Vomir, Nader Yaacoub,
Annabelle Bertin, Stéphane Klein, Aude Demessence, Thomas Fix, Rodaina Sayed
Hassan, Aymeric Avisou et Thomas Hauet.
– Mes collègues du Groupe d’étude des Surfaces et Interfaces : Christine Goyhenex,
Hervé Bulou, Christine Boeglin, Sébastien Joulie, Michelangelo Romeo.
– Mention spéciale pour Stéphane Mangin et François Montaigne sans doute les deux
personnes à qui je dois le plus de m’avoir donné envie de continuer à faire de la
physique durant ma formation universitaire et mes stages au laboratoire de Nancy.
– Mes collègues de Nancy du Laboratoire de Physique des Matériaux que j’ai croisé
plusieurs fois lors de diverses manifestations scientifiques : Stéphane Andrieu, Ca-
therine Dufour, Karine Dumesnil, Daniel Lacour, Michel Piecuch, Alain Schuhl,
Coriolan Tiusan.
– Toute ma famille pour m’avoir supporté durant ces dernières années.
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