L'essor du domaine de l'électronique de spin a stimulé l'étude des propriétés de films minces ferromagnétiques utilisés pour la rétention et la lecture de l'information magnétique. Les films minces antiferromagnétiques, bien que mis en exergue par la démonstration de l'effet GMR dans des super-réseaux Fe/Cr, n'ont qu'un rôle auxiliaire dans ces dispositifs. Des études théoriques récentes proposent néanmoins de leur conférer un rôle actif avec des propriétés distinctes et compétitives, en remplacement des films ferromagnétiques. Contrairement aux couches ferromagnétiques, les films antiferromagnétiques ont été l'objet de beaucoup moins de travaux expérimentaux : l'ordre antiferromagnétique ne peut être étudié que par quelques techniques spécifiques, telles que la diffraction de neutrons. Au cours de cette thèse, nous avons examiné un système modèle pour l'électronique de spin, constitué d'une couche mince de chrome (001), archétype de matériau antiferromagnétique itinérant, et d'une couche d'oxyde de magnésium (001), barrière cristalline la plus largement utilisée. Nous avons montré qu'il était possible de contrôler l'anisotropie magnétique et l'ordre magnétique de l'antiferromagnétique grâce à une maîtrise fine des conditions de croissance et grâce au dopage par le Fe. Une étude détaillée par photoémission a permis d'approfondir les preuves du couplage du magnétisme et de la structure électronique du Cr, et en particulier de mettre en évidence des états de surface et d'interface polarisés. Ces résultats ont été complétés par la détermination du moment ferromagnétique d'interface du Cr/MgO (001) par réflectivité de neutrons. Enfin, en tirant parti de ce socle de connaissance, nous avons pu comprendre et interpréter le magnétisme caractéristique d'hétérostructures de Cr comportant une barrière cristalline fine de MgO, comme la signature d'un couplage tunnel intercouches / The development of spintronics has stimulated the study of ferromagnetic thin films, used for magnetic data recording and reading. Although the GMR effect has been demonstrated in Fe/Cr superlattices, antiferromagnetic thin films only play an auxiliary role for these devices. Recent theoretic studies however proposed they could play a more active role, replacing ferromagnetic thin films, with competitive and distinct properties. Contrary to ferromagnetic layers, antiferromagnetic thin films have been much less experimentally examined because specific techniques (like neutron diffraction) are needed to that purpose, beyond usual characterization means. During this thesis work, we examined a model system for spintronics consisting in a thin film of chromium (001), an archetypal itinerant antiferromagnet, and a (001) magnesium oxide layer, widely used as a crystalline tunnel barrier in spintronic devices. We have demonstrated the possibility to control the magnetic anisotropy and the magnetic order of the antiferromagnet by mastering the growth conditions, and by doping Cr with Fe. Thanks to a detailed photoemission study, we have extended proofs of the interplay between magnetism and electronic structure in Cr, and in particular, we have evidenced surface and interface polarized states. By completing these results with neutron reflectivity experiments, we determined the magnitude of the ferromagnetic moments at the Cr/MgO(001) interface. Finally, by exploiting this gathered amount of knowledge, we succeeded in understanding and interpreting the characteristic magnetism observed in Cr/MgO heterostructures with thin tunnel barriers as the sign of a tunnel interlayer coupling

This thesis is concerned with the development of an intermediate magnetic field "clock-qubit" in ⁴³Ca⁺ at 146G and techniques to manipulate this qubit using microwaves and lasers. While ⁴³Ca⁺ has previously been used as a qubit, its relatively complicated level structure - with a nuclear spin of 7/2 and low-lying D-states -- makes cooling it in the intermediate field an intimidating prospect. As a result, previous experiments have used small magnetic fields of a few gauss where coherence times are limited and off-resonant excitation is a significant source of experimental error. We demonstrate a simple scheme that allows ⁴³Ca⁺ to be cooled in the intermediate field without any additional experimental complexity compared with low fields. Using the clock-qubit, we achieve a coherence time of T^*<sub style='position:relative;left:-.5em;'>2</sub> = 50 (10)s - the longest demonstrated in any single qubit. We also demonstrate a combined state preparation and measurement error of 6.8(6)x 10^-4 - the lowest achieved for a hyperfine trapped ion qubit [NVG⁺13] - and single-qubit logic gates with average errors of 1.0(3) x 10^-6 - more than an order of magnitude better than the previous record [BWC⁺11]. These results represent the state-of-the-art in the field of single-qubit control. Moreover, we achieve them all in a single scalable room-temperature ion trap using experimentally robust techniques and without relying on the use of narrow-linewidth lasers, magnetic field screening or dynamical decoupling techniques. We also present work on a recent scheme [OWC⁺11] to drive two-qubit gates using microwaves. We have constructed an ion trap with integrated microwave circuitry to perform these gates. Using this trap, we have driven motional sideband transitions, demonstrating the spin-motion coupling that underlies the two-qubit gate. We present an analysis of likely sources of experimental error during a future two-qubit gate and the design and preliminary characterisation of apparatus to minimise the main error contributions. Using this apparatus, we hope to perform a two-qubit gate in the near future.

La spintronique dans les semiconducteurs vise à utiliser le spin de l’électron comme degré de liberté supplémentaire (en plus de la charge électrique) afin de véhiculer l’information, ce qui permettrait la mise au point de composants intégrant de nouvelles fonctionnalités. Ce travail de thèse porte sur deux étapes importantes qui doivent être maîtrisées : l’injection électrique de porteurs polarisés en spin dans les semiconducteurs III-V, et la manipulation du spin de l’électron (par champ magnétique) dans ces matériaux optimisés. Dans un premier temps, la grande efficacité des injecteurs de spin à base de CoFeB/MgO/GaAs est démontrée dans des dispositifs de type Diodes Electroluminescentes polarisées en spin (SpinLEDs). La comparaison entre des injecteurs comprenant une barrière tunnel fabriquée soit par pulvérisation cathodique, soit par épitaxie par jets moléculaires (MBE), permet de montrer que ces deux techniques donnent des résultats comparables. Dans les deux cas, l’efficacité de l’injection est améliorée par un recuit de l’échantillon autour de 300−350◦C. Le recuit induit une amélioration de la qualité de l’interface CoFeB/MgO. De plus, l’efficacité de l’injection de spin n’est stable en fonction du courant injecté que lorsque la barrière tunnel est fabriquée par pulvérisation cathodique. Ceci est dˆu aux caractéristiques de l’interface MgO/GaAs qui diffèrent selon la technique de croissance de la barrière. Dans un deuxième temps, l’injection de spin en l’absence de champ magnétique externe appliqué est réaliséegrâce à un nouveau type d’injecteur constitué d’une électrode de CoFeB ultrafine présentant une aimantation rémanente de la couche le long de l’axe de croissance de l’échantillon. Pour la première fois des taux de polarisation circulaire de l’électroluminescence de l’ordre de 20% sont mesurés à 25 K à champ magnétique nul. Ensuite, la problématique de la relaxation de spin des porteurs injectés dans les vallées L de haute énergie dans GaAs (phénomène non négligeable sous injection électrique) est également traitée. Nous observons qu’une fraction de la mémoire du spin photogénéré en L est conservée lorsque les électrons sont diffusés vers la vallée Γ, malgré une relaxation d’énergie de plusieurs centaines de meV. Le temps de relaxation de spin dans les vallées L est estimé autour de 200 fs. Enfin, nous avons exploré le matériau GaAsBi dilué (x ∼ 2.2%) dont la perturbation de la matrice par l’élément Bi permet d’attendre des propriétés électroniques et de spin fortement modifiées. Des mesures de photoluminescence ont mis en évidence une diminution de l’énergie de bande interdite de l’ordre de 85meV/%Bi. De plus, par la mesure directe des battements quantiques de la polarisation de photoluminescence nous avons déterminé un facteur de Landé des électrons de conduction de l’ordre de deux fois supérieur à celui de GaAs. Ces résultats témoignent de la forte perturbation des états de valences et de l’augmentation de l’interaction spin-orbite / Spintronics of semiconductors aims at using carrier spins as supplementary means of information transport. Thiswould lead to components showing extended functionalities. This thesis work is dedicated to the study of injectionand manipulation of electron spin in semiconductors, which are the basis of any spintronic application. In a first stepwe demonstrate the high efficiency of CoFeB/MgO/GaAs - based spin injectors. Circular polarization degrees of electroluminescence over 20% are measured on spin polarized LEDs (SpinLEDs) at 0.8 T and 25 K. Comparison betweensputtering- and MBE- grown spin injectors has shown similar results. In both case, spin injection efficiency is increasedby thermal annealing of the sample, in the range 300 − 350◦C. Indeed, annealing improves the quality of CoFeB/MgOinterface, and induces the crystallization of CoFeB above 300◦C. A higher stability of spin injection with current injectionis found when the tunnel barrier is grown by sputtering. This is due to the MgO/GaAs interface characteristicswhich is related to the growth technique. In a second step, we demonstrate spin injection without external appliedmagnetic field, through an ultra-thin (a few atomic layers) CoFeB electrode, taking advantage of the perpendicular magnetic anisotropy of the layer which leads to a remanant magnetization along the growth axis. For the first time in this configuration, circular polarization degrees of electroluminescence of about 20% are measured at 25 K at zero magnetic field. In a third step, due to the crucial role it may play in electrical injection, electron spin dynamics in high energy L-valleys is investigated. Using polarization resolved excitation photoluminescence in the range 2.8-3.4 eV, we observe that a fraction of photogenerated spin polarization is preserved when electrons are scattered hundreds of meV down to Γ valley. Spin relaxation time in L valleys is estimated to 200 fs. Finally we investigate electron and spin properties of GaAsBi dilute bismide alloy. We observe that the bandgap energy is reduced by 85meV/%Bi when Bi element is introduced into GaAs matrix. Moreover, the electron Land´e factor is about twice the one in GaAs for a 2.2% Bi composition. These features are evidence of the strong perturbation of host states and spin-orbit interaction enhancement

Les nitrures d'éléments II-IV ZnSiN2, ZnGeN2 et ZnSnN2 forment une famille de semi-conducteurs liés aux nitrures d'éléments III (le GaN et ses alliages contenant de l'aluminium ou de l'indium). Ils s'obtiennent par construction en remplaçant l'élément III (Ga) périodiquement par un élément II (Zn) puis par un élément IV (Si, Ge ou Sn), ses voisins de gauche et de droite dans le tableau périodique. La structure cristalline qui en résulte est très proche de celle du GaN wurtzite. Le ZnGeN2 présente un désaccord de maille avec le GaN inférieur à 1%. Sa largeur de bande interdite est de quelques pour cents identique à celle du GaN et le large décalage de bande entre le GaN et le ZnGeN2 permet la formation d'une hétérostructure de type II. Ces données ont ouvert la voie à l'étude théorique de l'intégration des matériaux II-IV-N2 dans les zones actives de LEDs GaN. Ces puits quantiques de type II pourraient contribuer à améliorer les propriétés d'émission à grandes longueurs d'onde (verte et au-delà) des émetteurs à base de GaN. L'alliage ZnSn{x}Ge{1-x}N2 (de x = 0 à x = 1) étant peu connu, l'objectif de la thèse est de réaliser une étude expérimentale du matériau sous forme de couches minces élaborées par pulvérisation cathodique magnétron réactive. Ses propriétés structurales, optiques et électriques sont étudiées au moyen de différentes méthodes d'analyse. Il paraît ainsi possible de moduler son paramètre de maille a (de 3.22 A à 3.41 A) ainsi que la largeur de la bande interdite (de 2.1 eV pour le ZnSnN2 à 3.0 eV pour le ZnGeN2) mais également ses propriétés électriques sur plusieurs ordres de grandeur. L'utilisation de substrats de GaN permet, en outre, une analyse de l'interface entre les deux matériaux et l'étude des effets de quasi-épitaxie. / The II-IV-nitrides ZnSiN2, ZnGeN2 and ZnSnN2 represent a semiconductors family close to the III-nitrides (GaN and its aluminum and indium containing alloys). They are obtained by replacing periodically the group III element (Ga) by a group II element (Zn) and by a group IV element (Si, Ge or Sn), its left and right neighbors in the periodic table. The crystalline structure of ZnGeN2 is therefore really close to the one of wurtzite GaN. They show a lattice mismatch smaller than 1 %. The band gap of ZnGeN2 is almost identical to GaN and their large band offset enables the design of a type II heterostructure. These data set the stage for the theoretical study of II-IV-N2 integration into the active zones of GaN LEDs. These type II quantum wells could contribute to enhance the emission properties of GaN-based light emitters at high wavelengths (green and beyond). The ZnSn{x}Ge{1-x}N2 alloy (with x = 0 to x = 1) being rather unknown, the objective of this thesis is the experimental study of sputtered thin films of this material. Its structural, optical and electrical properties are investigated through different analysis methods. It seems possible to adjust its lattice parameter a (from 3.22 A to 3.41 A) as well as its band gap (from 2.1 eV for ZnSnN2 to 3.0 eV for ZnGeN2) but also its electrical properties on several orders of magnitude. The use of GaN substrates enables the investigation of the interface between both materials and quasi-epitaxy effects.

This thesis details research undertaken in the investigation of the open-shell open-shell Van der Waals complexes between nitric oxide (NO) and oxygen (O₂) and between nitrogen dioxide (NO₂ ) and oxygen (O</sub>2</sub> ). The Fourier transform microwave spectroscopy technique was used during the experimental work. Spectra were recorded for a mixture of NO and O₂ over the frequency range 7.0 to 18.2 GHz. Detailed ab initio calculations have been performed on the potential energy surface of both NO-O₂ and NO₂-O₂ using Multi-reference Rayleigh Schrodinger Second Order Perturbation Theory. These calculations were performed for the four distinct states of NO-O₂, ²A", ⁴A", ²A' and ⁴A', and for the two distinct states of NO,sub>2</sub>-O₂, ²A and ⁴A. Predicted rotational spectra have been generated by modelling the systems with a rigid-rotor Hamiltonians. The effective Hamiltonians included the rotational Hamiltonian, ℋ_rot, fine structure terms and hyperfine structure terms. It was not possible, for rationalizable reasons, to fit the predicted spectra for NO-O₂ to the experimental observations. Experimental details, calculation methods and rotational theory are discussed in the main body of the thesis. Predicted spectra, relevant calculations and other data is presented in the appendices.

Le contrôle de l’aimantation sans application de champ magnétique externe est un domaine de recherche en plein essor, étant prometteur pour les applications technologiques d’enregistrement magnétique et de spintronique. En 2007, Stanciu et al. ont découvert la possibilité de retourner l’aimantation dans un film fait d’alliage ferrimagnétique de GdFeCo en utilisant des impulsions laser femtoseconde. Longtemps cantonné aux alliages de GdFeCo, ce retournement tout-optique s’avère un phénomène plus général, puisqu’il a été mesuré plus récemment dans une large variété de matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. Cette découverte a ainsi ouvert la voie à l’intégration de l’écriture tout-optique dans l’industrie des mémoires magnétiques. Néanmoins, l’ensemble des modèles théoriques expliquant le retournement tout-optique dans le GdFeCo ne semblent pas s’appliquer aux autres matériaux magnétiques, mettant ainsi en question l’unicité de l’origine microscopique de ce phénomène. Au cours de cette thèse, nous avons étudié la réponse aux impulsions laser femtoseconde des alliages ferrimagnétiques et des multicouches ferromagnétiques, dans l'objectif d'élucider divers aspects du mécanisme du retournement optique. Nous avons élucidé expérimentalement les paramètres magnétiques gouvernant le retournement tout-optique. Nous avons montré que l’observation du retournement tout-optique nécessite des domaines magnétiques plus grands que la taille du faisceau laser pendant le processus de refroidissement, un critère qui est commun à la fois aux matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. En outre, nous nous sommes intéressés à l’intégration du retournement tout-optique dans des dispositifs de spintronique. Grâce à une caractérisation temporelle de l’aimantation dans des croix de Hall via l’effet Hall extraordinaire, nous avons distingué entre deux types de mécanismes du retournement optique. Le premier type est un retournement purement thermique obtenu avec une impulsion unique dans les alliages ferrimagnétiques de GdFeCo, tandis que le deuxième type est un retournement cumulative et à deux régimes dans les alliages ferrimagnétiques de TbCo et les multicouches ferromagnétiques de Co/Pt. Ce dernier consiste en une formation indépendante de l’hélicité de multidomaines magnétiques suivie d'une ré-aimantation dépendante de l'hélicité sur plusieurs dizaines de millisecondes. / The control of magnetization without external magnetic fields is an emergent field of research due to the prospect of impacting many technological applications such as magnetic recording and spintronics. In 2007, Stanciu et al. discovered an intriguing new possibility to switch magnetization in a ferrimagnetic GdFeCo alloy film using femtosecond laser pulses. This all-optical switching of magnetization had long been restricted to GdFeCo alloys, though it turned out to be a more general phenomenon for a variety of ferromagnetic and ferromagnetic materials. This discovery paved the way for an integration of the all-optical writing in storage industries. Nevertheless, the theoretical models explaining the switching in GdFeCo alloys films do not appear to apply in the other materials, thus questioning the uniqueness of the microscopic origin of all-optical switching. In this thesis, we have investigated the response of femtosecond laser pulses in ferrimagnetic alloys and ferromagnetic multilayers to the action of femtosecond laser pulses, in order to elucidate several aspects of the all-optical switching mechanism. We have experimentally studied the magnetic parameters governing the all-optical switching. We showed that the observation of all-optical switching requires magnetic domains larger than the laser spot size during the cooling process; such a criterion is common for both ferrimagnets and ferromagnets. Furthermore, we have investigated the integration of all-optical switching in spintronic devices via the anomalous Hall effect. Through a time-dependent electrical investigation of the magnetization in Hall crosses, we distinguished between two types of all-optical switching mechanisms. The first type is the single-pulse helicity-independent switching in ferrimagnetic GdFeCo alloy films as shown in previous studies, whereas the second is a two regimes helicity-dependent switching in both ferrimagnetic TbCo alloys and ferromagnetic Co/Pt multilayers. The latter consists in a step-like helicity-independent multiple-domain formation followed by a helicity-dependent remagnetization on several tens of milliseconds.

This thesis describes design, development and testing work on a plasma cathode electron beam gun as well as plasma diagnosis experiments and Electron Beam (EB) current measurements carried out with the aim of maximising the power of the EB extracted and optimising the electron beam gun system for material processing applications. The elements which influence EB gun design are described and put into practice in a thermionic EB gun case study. The relevant principles of plasma EB gun systems, such low-temperature, low-pressure, RF excitation, are described along with the test rigs developed to investigate different plasma cathode configurations. The first experimental setup was for optical spectroscopy measurements of the light emitted from the plasma and the second included current measurements from EBs generated at –30 and –60 kV as well as the spectroscopic measurements. Comparison of EB current measurements with different plasma cathode configurations and correlation with spectroscopic measurements are presented. The maximum current extracted from the Radiofrequency (RF) gun was 38 mA at –60 kV using a hollow cathode geometry and permanent magnets for electron confinement. The RF gun was compared to a Direct Current (DC) gun which generated higher currents. This was reflected in the spectra which indicated a higher ionisation level than in the RF plasma. Simulation work carried out using Opera-2d to model beam trajectories indicated that the beam shape is largely influenced by the plasma boundary. Particle In Cell (PIC) simulations of a parallel plate RF plasma cathode demonstrated that higher excitation frequencies produced higher ionisation, however the RF sheaths were larger and thus the current extracted may be limited in practice due to fewer electrons being available near the aperture. The sheath thickness decreased in the simulations as the discharge gap was increased. RF plasma also produced larger currents from larger plasma chambers.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre du projet MUSES (MUltiscale Electron Spectroscopy) qui consiste en une approche expérimentale et théorique combinée de l'étude des dynamiques électroniques dans les molécules sur une large fenêtre de temps. Ils se concentrent particulièrement sur les dynamiques électroniques dans les molécules carbonées aux échelles femtoseconde et attoseconde. Pour comprendre les processus à l'oeuvre dans ces systèmes complexes, il est nécessaire d'effectuer une étude approfondie de leurs propriétés électroniques en régime d'excitation à la fois linéaire et non linéaire. En effet, une grande partie des modèles de dynamiques électroniques valides dans le cas d'atomes s'effondrent lorsque l'on considère des molécules polyatomiques. Par ailleurs, l'accès à des sources de lumière ultrarapides permet maintenant de sonder expérimentalement des processus multiélectroniques ultrabrefs et de les confronter aux modèles théoriques. Les systèmes modèles C60, PAHs (Naphtalène, Anthracène et Pyrène) et les bases de l'ADN/ARN (bases pyrimidiques Cytosine, Thymine, Uracile) ont été les principaux systèmes étudiés dans cette perspective. Les expériences ont été conduites en spectroscopie de photoélectrons résolue en angle (VMIS) et spectroscopie de masse des produits d'ionisation, sous excitation XUV (10-30 eV) en champ faible (rayonnement synchrotron) ou proche Infrarouge en champ laser intense (∼1013 W/cm2) ainsi que sur une ligne laser pompe sonde XUV-IR disposant d'une résolution temporelle d'une centaine d'attosecondes. A l'aide de ces outils, nous avons mis en évidence et modélisé l'influence de la résonance plasmon de surface à 20 eV dans la dynamique de photoionisation du C60 à l'échelle attoseconde. Nous avons identifié la population d'états de Rydberg similaires lors de l'excitation des bases de l'ADN/ARN par un champ laser infrarouge intense, ce qui permet de contraindre les modèles théoriques sur la réponse non linéaire de systèmes complexes exposés à ce type de rayonnement. Enfin nous avons pu observer en temps des dynamiques non adiabatiques (couplages électrons-noyaux à l'échelle de plusieurs femtosecondes) dans les PAH consécutives à des processus d'ionisation et d'excitation multiélectroniques (mécanisme de shake-up) / The works presented in this thesis are part of project MUSES (MUltiscale Electron Spectroscopy) which consist in a combined experimental and theoretical approach on the study of electronic dynamics in molecules over a large time range. They concentrate particularly on electrons dynamics in carbonates molecules at the femtosecond and attosecond timescales. In order to understand processes occurring in those complex systems, it is necessary to study them in linear excitation regime as well as non linear one. Indeed, many electron dynamics theoretical models, valid in case of atoms or diatomic systems collapse in the case of polyatomic molecules. Moreover, the access to ultrafast light sources now allows to probe multielectronic processes and confront experimental results to theoretical calculations. Model systems C60, PAHs (Naphtalene, Anthracene and Pyrene) as well as DNA/RNA bases (pyrimidic bases Cytosine, Thymine, Uracile) have been the principal objects of study in that purpose. Experiments have been done in angularly resolved photoelectron spectroscopy and ionisation products mass spectroscopy, under XUV (10-30 eV) weak field synchrotron excitation, intense near infrared (I 1013 W/cm2) excitation as well as on a pump-probe XUV-IR laser beamline that give access to a hundred attosecond time resolution. With help of those tools, we evidenced and modeled the influence of the surface plasmon resonance of C60 at 20 eV in its photoionization dynamics at the attosecond timescale. We identified the population of Rydberg states during multiphoton ionisation of DNA/RNA bases similar for all the bases. This constraints theoretical models about non linear response of complex system under those excitation conditions. Finally we have been able to observe non adiabatic dynamics (electrons-nucleus couplings at a few tens of femtoseconds timescale) that appear consecutively of multielectronic excitation and ionization processes (shake-up mechanism)

Une formulation de jauge non-abélienne pour les hamiltoniens Rashba et Dresselhaus, relevants dans l’électronique de spin des matériaux non centrosymétriques est développée. Les champs de jauge définis sont proportionnels aux générateurs SU(2) et aux gradients des potentiels extrinsèque et intrinsèque d’origine, ce qui se traduit par une structure U(1) × SU(2). Nous avons déduit du lagrangien correspondant les équations du mouvement et les courants de spin conservés. On montre que la présence obligatoire d’un terme de masse de type Proca fixe la jauge et résout en conséquence la dépendance de la jauge dans le courant de spin et donc les ambiguïtés du courant de spin rapportées dans la littérature. Nous avons analysé certaines conséquences topologiques, mettant l’accent sur les modéles d’interféromètres et l’apparition de conditions de quantification semblables à celles de l’effet Hall quantique entier. Un dispositif de filtrage de spin par interférences est proposé dans un gaz d’électrons quasi-bidimensionnels GaAs/AlGaAs qui possède à la fois les couplages Rashba et Dresselhaus et un champ magnétique externe appliqué. Nous proposons un interféromètre de Mach Zehnder, accessible en électronique expérimentale et nous déterminons les conditions de filtrage de spin parfait. Nous trouvons deux régimes de filtrage de spin, celui où le filtrage est réalisé dans la base de quantification du faisceau entrant, qui tire parti de la nature purement non-abélien de rotations de spin, et l’autre, où l’on a besoin d’un axe préférentiel incliné pour observer le spineur de sortie polarisé. Nous étudions les états électroniques d’un anneau mésoscopique en présence de couplage spin-orbite Rashba et d’un champ de jauge U(1). Un couplage à un conducteur idéal est mis en oeuvre à la suite de la sonde de tension de Büttiker. Les courants permanents de charge et de spin sont calculés en présence de l’interaction SO et le couplage du réservoir pour deux scénarios distincts de la fraction d’électrons de remplissage. La dégradation des courants permanents dépend de manière uniforme du couplage du réservoir. Le problème des courants permanents de charge et de spin est également considéré sur un disque de Corbino construit à partir d’une feuille de graphène. L’hamiltonien en coordonnées cylindriques est soigneusement examinée afin de refléter hermiticité et la covariance. Nous utilisons la définition de la réponse linéaire afin de déterminer les courants persistants. Nous déterminons aussi les polarisations de spin et de pseudospin associées à ces courants d’équilibre. Les courants maximaux sont protégés contre les effets thermiques, ce qui les rend observables à des températures facilement accessibles / A non-Abelian gauge formulation for the Rashba and Dresselhaus hamiltonians, relevant in spintronics of non-centrosymmetric materials, is studied. The gauge fields defined are proportional to the SU(2) generators and also to potential gradients of extrinsic and intrinsic origin which results in a U(1) × SU(2) formulation. We derived from the corresponding lagrangian the equations of motion and conserved spin currents. It is shown that the mandatory presence of a Proca mass type term fixes the gauge and solves in consequence the gauge dependence of the spin current and therefore the ambiguities of the spin current reported in the literature. The invariant gauge subgroup of this theory will be studied. We will analyze some topological consequences of the gauge formulation of Rashba and Dresselhaus focusing on interferometers models and quantization conditions similar to the integer quantum Hall effect. A Spin filtering device, through quantum spin interference, is addressed in a quasi-2 dimensional GaAs/AlGaAs electron gas that has both Rashba and Dresselhaus spin-orbit couplings and an applied external magnetic field. We propose an experimentally feasible electronic Mach Zehnder Interferometer that determines perfect spin filtering conditions. We find two spin filtering regimes, one where filtering is achieved in the original incoming quantization basis, that takes advantage of the purely non-Abelian nature of spin rotations, and the other, where one needs a tilted preferential axis to observe the polarized output spinor. We also address the electronic states of a mesoscopic ring in the presence of Rashba Spin Orbit coupling and a U(1) gauge field. Spin symmetric coupling to an ideal lead is implemented following Büttiker’s voltage probe. The spin and charge persistent currents are computed in the presence of the SO interaction and the reservoir coupling for two distinct scenarios of the electron filling fraction. The degradation of the persistent currents depends uniformly on the reservoir coupling but due to the fact that currents emerge from different depths of the fermi sea, they depend non uniformly in temperature, “shielding” the currents with a protective gap. Finally the problem of persistent charge and spin currents is addressed on a Corbino disk built from a graphene sheet. We consistently derive the Hamiltonian including kinetic, intrinsic (ISO) and Rashba spin-orbit interactions in cylindrical coordinates. The Hamiltonian is carefully considered to reflect hermiticity and covariance. We use the linear response definition in order to determine the charge persistent currents. We also determine the spin and pseudo spin polarizations associated with such equilibrium currents. For the intrinsic case one can also compute the correct currents by properly defining the bare velocity operator associated with ISO problem or alternatively the ISO group velocity operator associated with the free case. Charge currents for both SO couplings reach maximal values in the vicinity of half integer flux quanta. Such maximal currents are protected from thermal effects because contributing levels plunge (~1K) into the Fermi sea at half integer flux values. Such a mechanism, makes them observable at readily accessible temperatures. Spin currents only arise for the Rashba coupling, due to the spin symmetry of the ISO spectrum. For the Rashba coupling, spin currents are canceled at half integer fluxes but they remain finite in the vicinity, and the same scenario above protects spin currents / Se estudia una formulación de calibre no abeliana de los hamiltonianos Rashba y Dresselhaus, relevantes en espintrónica de materiales no centrosim étricos. Los campos de calibre definidos son proporcionales a los generadores SU(2) y también a los gradientes de potencial de origen extrínseco e intrínseco que se traducen en una formulación U(1) × SU(2). Derivamos del Lagrangiano correspondiente las ecuaciones del movimiento y las corrientes de espín conservadas. Se demuestra que la presencia obligatoria de un término de masa tipo Proca fija el calibre y resuelve en consecuencia la dependencia de calibre en la corriente de esp´n y, por lo tanto, las ambig¨uedades asociadas a la definición de la corriente de espín reportadas en la literatura. Se estudia el subgrupo invariante de esta teoría. Analizamos algunas de las consecuencias topológicas de la formulación de calibre de Rashba y Dresselhaus centrándonos en modelos de interferómetros y condiciones de cuantización similares al efecto Hall cuántico entero. Se propone un dispositivo de filtrado de espín basado en interferencia cuántica de espín, en un gas de electrones cuasi-bidimiensional GaAs/AlGaAs que posee acoplamientos spin-órbita tanto Rashba como Dresselhaus y un campo magnético externo aplicado. Proponemos un interferómetro electrónico tipo Mach-Zehnder experimentalmente factible que determina perfectamente las condiciones de filtrado de espín. Nos encontramos con dos regímenes, un primer régimen donde se logra el filtrar en la base original de cuantización, que toma ventaja de la naturaleza puramente no abeliana de las rotaciones de esín, y el otro, donde se necesita un eje preferencial inclinado (tilted) para observar el espinor polarizado de salida. Estudiamos los estados electrónicos de un anillo mesoscópico en presencia de acoplamiento espín orbita tipo Rashba y un campo de calibre U(1). El acoplamiento simétrico en espín a un cable ideal se implementa siguiendo el procedimiento de punta de prueba de B¨uttiker. La corrientes persistentes de carga y de espín se calculan en presencia de la interacción SO acopladas con un reservorio, tomando en cuenta dos escenarios distintos para de la fracción de electrones de llenado. La degradación de las corrientes persistentes depende de manera uniforme del acoplamiento con el reservorio debido al hecho de que las corrientes emergen de diferentes profundidades del mar de Fermi, y por lo tanto para algunos regímenes particulares de flujo magnético dependen de manera no uniforme de la temperatura, produciendo un “ blindaje” de las corrientes frente a la temperatura mediante una brecha de energía protectora. Se aborda el problema de las corrientes persistentes de carga y espín en un disco Corbino, construido a partir de una hoja de grafeno. Consistentemente derivamos el Hamiltoniano incluyendo su parte cinética, interacciones espín - órbita intrínseca (ISO) y Rashba en coordenadas cilíndricas. El Hamiltoniano es construido cuidadosamente para reflejar la hermeticidad y covariancia. Utilizamos teoría de respuesta lineal con el fin de determinar las corrientes persistentes de carga. También determinamos las polarizaciones de espín y de pseudoespín asociados con estas corrientes de equilibrio. Para el caso intrínseco también se pueden calcular las corrientes definiendo correctamente el operador velocidad (bare) y calculando con las funciones de onda ISO o alternativamente, el operador de velocidad de grupo ISO para las funciones de onda libres. Las corrientes de carga para ambos acoplamientos SO alcanzan valores máximos en las proximidades de semi-enteros de cuantos de flujo. Tales corrientes máximas están protegidos de los efectos térmicos ya que los niveles que contribuyen se hunden (~ 1K) en el mar de Fermi para valores semi-enteros de flujo. Este mecanismo los hace observable a temperaturas de fácil acceso. Las corrientes de espín sólo surgen en presencia de acoplamiento Rashba, debido a la simetría de espín del espectro ISO. [...]

A transmission line format is presented which takes the form of a Multilayer Ridged Substrate Integrated Waveguide, for which signal energy is transmitted within standard PCB substrates, within a wave-guiding structure formed from conducting tracks in the horizontal plane and arrays of through-plated vias in the vertical plane. The Substrate Integrated Waveguide (SIW) is a recent development into which research is so far concentrated on single-layer rectangular variants which, like traditional rectangular waveguide, are amenable to analytic computation of the cutoff eigenvalues. Recent publications have offered empirically-derived relationships with which a Substrate Integrated Waveguide can be analysed by equivalence of the horizontal dimensions with a conventional waveguide, allowing such structures to be designed with minimal effort. We propose a ridged form of this structure, in which multiple PCB layers are stacked to obtain the desired height and the published equivalent width is used to obtain the horizontal dimensions. The proposed structure combines the increased bandwidth of ridged waveguide with SIW’s greatly reduced cost of manufacture and integration, relative to conventional waveguide, and improved power handling capacity and loss susceptibility relative to microstrip. Ridged variants have not yet been studied in the literature, however, in part because the eigenspectrum can not be obtained analytically. We thus present a semi-analytical software model with which to synthesise and analyse the cutoff spectrum in ridged Substrate Integrated Waveguide, verified by comparison with analytical solutions, where they exist, simulation in finite-element software and a physical prototype. Agreement with simulated and measured results is within 1 % in certain subsets of the parameter space and 11 % generally, and individual results are returned in times of the order of seconds. We use the model to analyse the relationship between geometry and frequency response, constructing an approximating function for the early modes which is significantly faster, such that think it can be used for first-pass optimisation. A range of optimal parameters are presented which maximise bandwidth within anticipated planar geometric constraints, and typical design scenarios are explored.