Thèse Transport et Interconversion Ultrarapides du Moment Angulaire Orbital dans des Hétérostructures Magnétiques H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : Laboratoire Albert Fert, CNRS, Thales, Université Paris Saclay Direction de la thèse : Romain LEBRUN ORCID 0000000241098388 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-31T23:59:59 Le moment angulaire orbital des électrons est récemment apparu comme un nouveau degré de liberté pour le transport de l'information, complémentaire du spin, ouvrant de nouvelles perspectives pour une électronique de spin plus rapide et plus sobre en énergie. Si les courants orbitaux peuvent être générés, transportés et convertis en courants de spin ou de charge grâce au couplage spin-orbite, les mécanismes microscopiques qui gouvernent ces processus, en particulier aux échelles de temps femtoseconde, restent encore largement méconnus.L'objectif de cette thèse est d'étudier la génération, le transport et l'interconversion du moment angulaire orbital dans des hétérostructures magnétiques, ainsi que son interaction avec les excitations magnétiques collectives. Le projet s'appuiera sur la spectroscopie THz résolue en temps, des mesures électriques large bande dans le domaine des GHz et une modélisation numérique afin de suivre la dynamique des courants orbitaux de l'échelle femtoseconde jusqu'à la nanoseconde.Des impulsions laser femtosecondes permettront de générer des courants transitoires de spin et de moment angulaire orbital dans des hétérostructures magnétiques, détectés grâce à l'émission THz résultant de leur conversion en courants de charge par effets Hall de spin inverse et Hall orbital inverse. Ces expériences permettront de déterminer les mécanismes de relaxation, les efficacités d'interconversion aux interfaces et les processus de transport ultrarapides. Le projet explorera également comment les courants orbitaux peuvent générer et contrôler des magnons cohérents dans des matériaux ferromagnétiques et antiferromagnétiques par l'intermédiaire des couples orbitaux. Enfin, les résultats expérimentaux seront interprétés à l'aide d'une modélisation semi-phénoménologique afin d'établir une description unifiée des dynamiques couplées des degrés de liberté orbital, spin et charge, depuis les GHz jusqu'au domaine térahertz.En apportant une compréhension fondamentale du transport orbital ultrarapide et de son couplage aux excitations magnétiques, cette thèse contribuera au développement de nouvelles approches pour des dispositifs spintroniques et magnétiques cohérents, rapides et à faible consommation énergétique. Spintronics has emerged as a major platform for information processing by exploiting the electron spin as an information carrier, enabling the development of high-speed and energy-efficient devices operating from the GHz to the THz frequency range [1]. More recently, the orbital angular momentum of electrons has been identified as a complementary degree of freedom that can generate long-range orbital currents and exert torques on magnetic systems, giving rise to the rapidly expanding field of orbitronics [2]. Unlike spin currents, orbital currents may propagate efficiently even in materials with weak spin-orbit coupling and can subsequently be converted into spin or charge currents at suitable interfaces. Despite these remarkable advances, the microscopic mechanisms governing the generation, transport and interconversion of orbital angular momentum remain largely unexplored, particularly on femtosecond timescales where electronic, spin and lattice degrees of freedom are strongly coupled. Establishing a comprehensive understanding of ultrafast orbital transport therefore represents one of the major challenges in modern spintronics and is expected to open new routes toward low-power magnetic information technologies. The objective of this PhD is to uncover the ultrafast mechanisms governing the generation, propagation and conversion of orbital angular momentum in magnetic heterostructures, and to determine how orbital currents can efficiently interact with collective magnetic excitations. The project will combine state-of-the-art optical THz time-domain spectroscopy (THz-TDS), broadband GHz electrical spectroscopy and theoretical modelling to investigate orbital-current dynamics from the femtosecond to the nanosecond timescale.The project relies on the generation of ultrafast spin and orbital currents by femtosecond laser excitation (10-100 fs) of magnetic heterostructures composed of metallic ferromagnets, magnetic insulators and antiferromagnetic materials [1,3]. Following optical excitation, transient spin and orbital currents propagate across engineered interfaces where they are converted into charge currents through the inverse spin Hall effect (ISHE) or the recently discovered inverse orbital Hall effect (IOHE). These sub-picosecond charge transients radiate broadband THz electromagnetic pulses whose amplitude, phase and polarization directly encode the underlying ultrafast transport processes. Electro-optic sampling of the emitted THz radiation therefore provides a unique probe of orbital-current generation, interfacial conversion efficiencies, relaxation mechanisms and electronic interactions occurring at buried interfaces with sub-picosecond temporal resolution.Beyond their conversion into charge currents, orbital currents provide an entirely new mechanism for manipulating magnetic order through orbital torques. In contrast to conventional spin-orbit torques, orbital torques are predicted to achieve efficient magnetization control while reducing energy dissipation, making them particularly attractive for future spintronic and magnonic technologies [4]. A central objective of this PhD will therefore be to determine how orbital angular momentum couples to coherent magnetic excitations and whether orbital currents can be exploited to generate and manipulate magnons over an exceptionally broad frequency range extending from GHz spin waves to THz antiferromagnetic resonances.

Master en physique, optique, matière condensée ou nanotechnologies

• Chimie