Conception d'une cavité optique pour amplifier la mesure magnéto-optique de la résonance ferromagnétique

La résonance magnétique détectée optiquement (ODMR) est un domaine de recherche et d’application très large et varié, de l’étude fondamentale des matériaux à des applications pour la magnétométrie et la transduction. L’ODMR peut être reproduite sur plusieurs formes : un effet microscopique exploitant le pompage et la détection d’un système quantique avec des propriétés de transitions optiques dépendantes de l’état de résonance magnétique du système ou bien un effet macroscopique résultant du comportement collectif des phénomènes microscopiques tels que les effets magnéto-optiques pour mesurer la résonance ferromagnétique. Ce mémoire est dédié à une étude plus approfondie de cette deuxième approche, plus spécifiquement, à une technique pour amplifier sa sensibilité. Cette technique repose sur le fait que les effets magnéto-optiques s’additionnent au lieu de s’annuler lorsque l’onde est réfléchie dans le matériau. À l’aide de ce concept, on peut amplifier les effets magnéto-optiques en positionnant un matériau magnéto-optique dans une cavité Fabry-Pérot. Cette cavité magnéto-optique aura l’effet d’augmenter la longueur de propagation totale dans le matériau magnéto-optique et de causer une levée de dégénérescence des deux modes de cavité grâce à la biréfringence magnétique. Il est donc possible d’amplifier la mesure magnéto-optique de la précession de l’aimantation lors de la résonance ferromagnétique (MODMR). Dans la littérature, la cavité magnéto-optique a été étudiée pour des matériaux peu sensibles, mais l’étude en détail de la cavité magnéto-optique pour des matériaux fortement magnéto-optique ne semble pas avoir été faite. Cette catégorie de matériaux, particulièrement sensibles, ouvre la voie à l’amplification de la mesure optique de la résonance ferromagnétique, avec des applica-tions potentielles en magnétométrie ultrasensible, en caractérisation de matériaux, ou encore en transduction entre photons optiques et micro-ondes. Ces avancées concernent aussi bien l’ingénierie que la recherche fondamentale, notamment dans des domaines tels que l’imagerie biomédicale, la détection d’ondes gravitationnelles, l’étude des défauts, des ondes de spin, des supraconducteurs, encore l’interconnexion des ordinateurs quantiques, etc. Cela nous conduit à étudier, dans un premier temps de manière théorique, la cavité magnéto-optique pour la mesure de la résonance ferromagnétique, puis à sa mise en œuvre expérimentale au laboratoire. La théorie des effets magnéto-optiques à partir des équations de Maxwell pour une onde plane dans un matériau cubique naturellement isotrope et anisotrope avec une aimantation non nulle est dérivée pour différents angles entre la propagation du faisceau laser et l’aimantation.