Jury

 Résumé :

Le développement des technologies d’émission THz s’est rapidement heurté à de nombreuses limitations, notamment en termes de bande passante et de puissance d’émission. Les technologies conventionnelles utilisées jusqu’à présent ne conviennent plus pour des applications qui demandent de très larges bandes passantes sans pertes. De plus, le contrôle de la polarisation THz n’est généralement pas facile à implémenter, malgré de nombreuses applications potentielles en éllipsométrie ou en télécommunications. Ce manuscrit présente l’émergence des émetteurs spintroniques THz, qui utilisent le degré de liberté du spin pour produire une émission THz très large bande et ininterrompue sur une gamme pouvant dépasser 30 THz. Ces émetteurs, par le biais de l’effet spin Hall inverse, permettent de générer des ondes THz pulsées linéaires dont la polarisation peut être facilement contrôlée en manipulant l’aimantation dans les dispositifs. Ces propriétés, jusqu’alors très peu exploitées, ont permis de mettre au point de nouvelles architectures des dispositifs pour en améliorer le contrôle. La structure standard de ces émetteurs, un empilement nanométrique de W|FeCoB|Pt est généralement polarisé et orienté en utilisant des champs magnétiques permanents, nécessitant d’être mécaniquement mis en rotation pour provoquer la rotation de la polarisation. Ainsi, en réalisant un dispositif à couches magnétiques couplées par interactions d’échange, il est possible d’induire une anisotropie magnétique uniaxiale dans la structure. Cette nouvelle configuration d’émetteur, dont les couches actives sont alors W|FeCo|TbCo2|FeCo|Pt, permet un contrôle de la polarisation sur 360° à l’aide d’un champ magnétique fixe scalaire, selon le modèle de Stoner-Wohlfarth. Cependant, ce principe de contrôle de la polarisation, bien que novateur, nécessite toujours l’emploi de champs magnétiques forts, généralement produits par des électro-aimants encombrants. La structure magnétique développée précédemment s’avère être également une configuration magnéto-élastique, sensible aux contraintes mécaniques. Ainsi, en couplant cette nouvelle structure avec un élément piézoélectrique, il est alors possible de réaliser un contrôle magnéto-électrique des émetteurs spintroniques THz. Le développement d’un émetteur à anisotropie uniaxiale déposé sur un substrat piézoélectrique de PMN-PT a alors permis d’établir un contrôle de la polarisation THz sur une gamme de 90°, uniquement via l’application d’un champ électrique sur le dispositif. Jusqu’à présent, le contrôle de la polarisation s’est réalisé de manière statique. Un contrôle dynamique de la polarisation serait alors un net avantage dans les systèmes d’éllipsométrie ou de communications. Ainsi, il est alors possible de moduler la polarisation dans les émetteurs à l’aide de champs magnétiques sinusoïdaux générés par des bobines. Cette modulation est également facilitée en faisant intervenir la Transition de Réorientation de Spin dans les structures anisotropiques, afin de drastiquement augmenter la sensibilité magnétique et de permettre des modulations à une fréquence record de 10 MHz. Finalement, ces émetteurs spintroniques sont intégrés dans des cavités optiques et THz afin de mitiger le défaut principal de ces émetteurs, leur manque d’efficacité générale en comparaison avec les méthodes standard de génération THz. De plus, les émetteurs sont également déposés sur fibre optique, dans le but de pouvoir facilement les intégrer et les utiliser sur des systèmes optiques classiques. Cette intégration apporte également son lot de défis, à la fois en fabrication, mais également en l’utilisant dans des régimes de puissances élevées.

Abstract :

The development of THz transmission technologies quickly came up against numerous limitations, particularly in terms of bandwidth and transmission power. The conventional technologies used until now are no longer suitable for applications requiring very wide bandwidths without losses. In addition, THz polarisation control is generally not easy to implement, despite the many potential applications in ellipsometry or telecommunications. This manuscript presents the emergence of THz spintronic transmitters, which use the spin’s degree of freedom to produce a very broadband and uninterrupted THz emission over a range that can exceed 30 THz. Using the inverse spin Hall effect, these transmitters generate linear pulsed THz waves whose polarisation can be easily controlled by manipulating the magnetisation in the devices. These properties, hitherto little exploited, have led to the development of new device architectures to improve control. The standard structure of these emitters, a nanometric stack of W|FeCoB|Pt, is generally polarised and oriented using permanent magnetic fields, requiring mechanical rotation to cause the polarisation to rotate. By creating a device with magnetic layers coupled by exchange interactions, it is possible to induce uniaxial magnetic anisotropy in the structure. This new emitter configuration, whose active layers are then W|FeCo|TbCo2|FeCo|Pt, enables polarisation to be controlled over 360° using a scalar fixed magnetic field, according to the Stoner-Wohlfarth model. However, this principle of polarisation control, although innovative, still requires the use of strong magnetic fields, generally produced by bulky electromagnets. The magnetic structure developed previously also turns out to be a magneto-elastic configuration, sensitive to mechanical stress. So, by coupling this new structure with a piezoelectric element, it is possible to achieve magnetoelectric control of THz spintronic transmitters. The development of an emitter with uniaxial anisotropy deposited on a PMN-PT piezoelectric substrate has made it possible to control THz polarisation over a range of 90°, solely by applying an electric field to the device. Until now, polarisation control has been static. Dynamic polarisation control would therefore be a clear advantage in ellipsometry or communications systems. For example, it is possible to modulate the polarisation in transmitters using sinusoidal magnetic fields generated by coils. This modulation is also facilitated by involving the Spin Reorientation Transition in the anisotropic structures, to drastically increase magnetic sensitivity and enable modulation at a record frequency of 10 MHz. Finally, these spintronic emitters are integrated into optical and THz cavities in order to mitigate the main shortcoming of these emitters, their general lack of efficiency compared with standard THz generation methods. In addition, the emitters are also deposited on optical fibres, so that they can be easily integrated and used on conventional optical systems. This integration also brings its own set of challenges, both in terms of manufacture, but also when used in high-power regimes.