Terahertz probing of anisotropic conductivity and morphology of CuMnAs epitaxial thin films

Antiferromagnetic CuMnAs thin films have attracted attention since the discovery of the manipulation of their magnetic structure via electrical, optical, and terahertz pulses of electric fields, enabling convenient approaches to the switching between magnetoresistive states of the film for the information storage. However, the magnetic structure and, thus, the efficiency of the manipulation can be affected by the film morphology and growth defects. In this study, we investigate the properties of CuMnAs thin films by probing the defect-related uniaxial anisotropy of electric conductivity by contact-free terahertz transmission spectroscopy. We show that the terahertz measurements conveniently detect the conductivity anisotropy, that are consistent with conventional DC Hall-bar measurements. Moreover, the terahertz technique allows for considerably finer determination of anisotropy axes and it is less sensitive to the local film degradation. Thanks to the averaging over a large detection area, the THz probing also allows for an analysis of strongly non-uniform thin films. Using scanning near-field terahertz and electron microscopies, we relate the observed anisotropic conductivity of CuMnAs to the elongation and orientation of growth defects, which influence the local microscopic conductivity. We also demonstrate control over the morphology of defects by using vicinal substrates.Comment: 33 pages, 16 figure

Model calculation of four-wave mixing polarization and dynamics in bulk and confined semiconductors

Nous présentons une approche nouvelle de la théorique des expériences de mélange à quatre ondes (FWM) menés sur des semi-conducteurs. Nous avons développé un modèle capable en particulier de prédire l’état de polarisation des faisceaux diffractés ainsi que sa dynamique. Le modèle peut être appliqué à des semi-conducteurs massifs comme à des puits quantiques. La thèse débute par un résumé d’éléments de la mécanique quantique à N particules et de la physique des semi-conducteurs. Nous passons en revue les différentes modèles destinés à décrire la réponse optique au troisième ordre des semi-conducteurs. En utilisant les équations de Bloch optiques (OBE), nous établissons les règles de sélection de la polarisation pour la réponse FWM qu’elles prédisent. Dans le cas des semi-conducteurs massifs, les modèles basés sur les OBE ne sont pas capable de prédire la polarisation de la réponse FWM. Par contre, les OBE donnent de bonnes prédictions quand elles sont appliquées à des boîtes quantiques de semi-conducteurs. Afin d’obtenir un système d’équations qui peut être résolus analytiquement dans le cas de la réponse FWM, nous avons développé un nouveau modèle. Les équations de mouvement sont tout d’abord déterminées à partir d’un Hamiltonien microscopique simplifié en traitant l’interaction de Coulomb en théorie de perturbation au premier ordre. Nous trouvons que la polarisation de la réponse FWM obtenue est en accord avec les prédictions des modèles microscopiques. De plus, le modèle prévoit d’autres propriétés spécifiques du signal FWM. Enfin, nous appliquons ce modèle au cas où les états de spin excitoniques sont mélangés par les termes qui dépendent du vecteur d’onde comme c’est le cas dans les cristaux de CuBr. Nous démontrons par nos calculs comment le mélange des spins excitoniques induits par le vecteur pourrait être mis en évidence par des expériences de FWM et déterminons théoriquement les meilleures conditions dans lesquelles un mélange de spin pourrait être mesuré. I present a new approach to theoretical description of four-wave mixing (FMW) experiments on semiconductors in the thesis. I develop a model for prediction of the polarization state and dynamics of the diffracted beam. The model is applicable to bulk semiconductors and quantum wells. The thesis is introduced by a summary of the elements of many-body quantum mechanics and semiconductor physics. Then I give an overview of the models designed for description of the third-order optical response of semiconductors and I calculate polarization selection rules for the FWM response using optical Bloch equations (OBE). It is shown that models based on OBE are not sufficient in predictions of polarization of the FWM response on bulk semiconductors because two-particle states are not considered with the correct symmetry. They are, however, shown to be accurate when applied to semiconductor quantum dots. In order to get analytically solvable equations of motion for the FWM response, a new model is developed. Equations of motion are derived from microscopic Hamiltonian simplified by consideration of bosonized excitons and by consideration of the Coulomb interaction in the first-order of perturbation theory. The model is then discussed from the point of view of its predictions of polarization of the FWM response which is found to be in accordance with experiments and microscopic models. It is also shown that the model predicts other important properties of the FWM signal. I show results of model calculations using the derived equations of motion and taking wave vector-dependent exciton spin mixing into account. I consider a bulk CuBr crystal in the calculations and various polarizations and propagation directions of incident optical pulses and I show how the wave vector-dependent spin mixing may be visualized in FWM experiments. I find theoretically the best conditions under which the weak spin mixing may be measured

Thermally induced all-optical ferromagnetic resonance in thin YIG films

All-optical ferromagnetic resonance (AO-FMR) is a powerful tool for the local detection of micromagnetic parameters, such as magnetic anisotropy, Gilbert damping or spin stiffness. In this work we demonstrate that the AO-FMR method can be used in thin films of yttrium iron garnet (YIG) if a metallic capping layer (Au, Pt) is deposited on top of the film. Magnetization precession is triggered by heating of the metallic layer with femtosecond laser pulses. The heat pulse modifies the magneto-crystalline anisotropy of the YIG film and shifts the quasi-equilibrium orientation of the magnetization, which results in precessional magnetization dynamics. The laser-induced magnetization precession corresponds to a uniform (Kittel) magnon mode, with the precession frequency determined by the magnetic anisotropy of the material as well as the external magnetic field, and the damping time set by a Gilbert damping parameter. The AO-FMR method thus enables measuring local magnetic properties, with a resolution given by the laser spot size