Thèse Détection Optique Cohérente du Magnétisme dans des Dispositifs Spintroniques Couplés aux Monocouches de Semi-Conducteurs H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Institut Néel
Direction de la thèse : Jacek KASPRZAK ORCID 0000000349602603
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-13T23:59:59

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 MoSe, 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 MnN 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 MnN sur des substrats SrTiO. 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 MoSe 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.

La dynamique des parois de domaine est une question importante dans les principes fondamentaux du magnétisme et l'ingénierie des matériaux spintroniques. Nous nous concentrons ici sur la classe des ferrimagnets présentant des vitesses de déplacement des parois de domaine pouvant atteindre plusieurs km/s. Nous proposons d'utiliser la spectroscopie cohérente ultra-rapide pour évaluer la formation et la dynamique spatiale de la magnétisation dans ces matériaux. Notre projet s'inscrit dans le contexte dynamique de la détection optique des effets de proximité dans les matériaux hybrides, ici réalisés à partir de couches minces de Mn4N épitaxiales couplées à des monocouches de dichalcogénures de métaux de transition.

L'objectif principal est d'établir la détection de mouvements de parois magnétiques à l'échelle de la picoseconde par spectroscopie non linéaire.

* heterodyne detected four-wave mixing microscopy,
* molecular beam epitaxy,
* electron beam lithography

Le candidat doit démontrer une bonne base de l'optique non linéaire, de la mécanique quantique, de la physique des semi-conducteurs et de la photonique. Comme on s'attend à ce que le candidat exécute des tâches de programmation, on recherchera des compétences pratiques en programmation dans la programmation et l'électronique Windows C du Laboratoire national d'instrumentation. Outre une forte motivation et de solides compétences scientifiques, le candidat retenu devra réaliser sa thèse de doctorat dans le cadre d'une cotutelle, comprenant un séjour d'un an à l'Université de Tsukuba. Une expérience de vie au Japon et des connaissances de base en japonais seraient donc un atout.