Coherent ultra-fast magneto-optics

Ce travail de thèse concerne l’étude de l'interaction ultra-rapide entre photons et spins dans des matériaux ferromagnétiques. Nous avons d'abord détaillé l'origine des effets magnéto-optiques ainsi que les processus physiques intervenant dans la dynamique d'aimantation ultra-rapide, en particulier dans la dynamique cohérente. Nous avons introduit un modèle simple constitué de huit niveaux de l'atome d'hydrogène pour explorer deux aspects des expériences magnéto-optiques ultra-rapides : le rôle joué par le terme d'interaction spin-orbite avec le champ laser issu du développement relativiste de Foldy-Wouthuysen, ainsi que le lien entre le signal magnéto-optique cohérent et la dynamique d'aimantation aux temps courts. Nous avons modélisé des expériences de mélange à quatre ondes de type pompe-sonde et en configuration de réseau transitoire, ce qui nous a permis de distinguer la réponse magnéto-optiques cohérente de la réponse magnéto-optique des populations. Nous avons montré que dans notre modèle simple, l'interaction spin-orbite issue du développement de Foldy-Wouthuysen influence la dynamique des spins dans le cas d'un système subissant une interaction Zeeman forte. A l’aide d'un film fin de grenat, nous avons illustré expérimentalement la mesure de la réponse magnéto-optique des populations et des cohérences à l'ordre trois en configuration de mélange d'onde à trois faisceaux. Ce travail promet des avancées dans la compréhension de l'interaction cohérente entre spins et photons dans les matériaux ferromagnétiques et elle permet d'envisager un contrôle cohérent de l'aimantation à l'échelle de la femtoseconde.In this work we have studied the ultra-fast interaction of photons and spins in ferromagnetic materials. At first, we have detailed the origin of magneto-optical effects and the different physical processes intervening in ultra-fast magnetization dynamics, especially in the coherent dynamics. We have used a simple model based on eight levels of the Hydrogen atom to explore two aspects of ultra-fast magneto-optical experiments: the importance of the spin-orbit interaction with the laser field appearing in the relativistic Foldy-Wouthuysen development, and the relation between the magneto-optical signal and the ultra-fast magnetization dynamics at short pump-probe delays. We have modeled two types of four-wave mixing experiments: a pump-probe configuration and a three beam setting, which enabled us to distinguish between the coherences’ and the populations’ magneto-optical response. We have shown that in our simple model, the spin-orbit interaction appearing in the Foldy-Wouthuysen development acts on the magnetization dynamics in the case of a strong Zeeman interaction. We have illustrated experimentally the two different magneto-optical dynamics for the populations and coherences in a three beam four-wave mixing experiment performed on a thin garnet film. This work announces progresses in the understanding of the coherent interaction between spins and photons in ferromagnetic materials as well as the possibility of controlling magnetization coherently on a femtosecond timescale