Muon spin relaxation is an ideal tool with which to study dilute magnetic systems, coupled with tailored bulk magnetic susceptibility measurements it is possible to examine previously unobserved magnetic exchange interactions. Investigations into non-stoichiometric LaCo03 reveals evidence of magnetic excitons in transition metal oxides for the first time. Moreover, data is presented that supports the concept of the defect driven excitons interacting with the stoichiometric LaCo03 which is known to undergo a thermally driven spin state transition. The data suggest the occurrence of more than one possible magnetic interaction of the excitons. Hole doped La1-xSrxCo03 is of interest as it is known to be magnetically and electronically phase separated; by a direct analogy with magnetic excitons it is suggested that the Sr rich ferromagnetic clusters interact with the pure LaCo03 below the metal insulator transition (x = 0.18 ) . It is suggested that it is this interaction observed for the first time that enables the rich phase diagram of La1_xSrxCo03 . The persistent photoconductivity effect on the spin glass transition in the elilute magnetic semiconductor Ccl0.85Mn0.15 Te:In has been investigated using low temperature magnetic susceptibility measurements and for the first time muon spectroscopy. Muon measurements on an Al eloped sample clearly show the spin glass transition, however the presence of the DX centre, which causes PPC when doping with In donors, perturbs the muon response. Particular attention is paid to possibility of the DX centre trapping muonium and preventing the detection of the spin glass transition. PPC does not induce a change in the muon response, however continuous illumination of the sample allows the observation of the spin glass transition, suggesting the presence of multiple DX centres, moreover the centre is found to be diamagnetic. The search for magnetic ordering at room temperature in an organic material has generally neglected polymers. PANiCNQ combines a fully conjugated nitrogen containing backbone with molecular charge transfer side groups. This combination gives rise to a stable polymer with a high density of localised spins, which are expected to give rise to coupling. Magnetic measurements suggest that the polymer is ferri- or ferro- magnetic with a Curie temperature of over 350 K, and a maximum saturation magnetization of 0.1 JT-1 kg-1 . Magnetic force microscopy images support this picture of room temperature magnetic order by providing evidence for domain wall formation and motion.

This thesis presents a study of the magnetic properties of cluster complexes of nickel and iron, with a focus on the relationships between structure and magnetism. Chapter 1 gives an introduction to the concepts involved in molecular magnetism, with particular attention to single-molecule magnets (SMMs). The main types of SMMs are outlined, and the origin of magnetic anisotropy and its role in the single-molecule magnetism phenomena are discussed, as well as the potential applications of SMMs as data storage devices. The chapter also describes the experimental techniques employed for the characterisation of the complexes studied. Chapter 2 deals with three Ni(II)-based, cubane-like complexes with formula [Ni(hmp)(MeOH)CI]4 (complex 1), [Ni(hmp)(dmb)CI]4 (2) and [Ni(hmp)(dmp)Clh (3), where hmp- is the anion of 2- (hydroxymethyl)pyridine, dmb is 3,3-dimethylbutan-l -01 and dmp is 2,2-dimethylpropan-l -ol. A magnetostructural study was carried out on these complexes, employing X-ray crystallography, SQUID magnetometry, FDMRS and MCD spectroscopy.l MCD spectra allowed for determining the signs of superexchange interactions and magnetic anisotropy parameters, and simulations on FDMRS data yielded zerofield splitting parameters values consistent with those previously obtained for 1 and 2 from simulations of EPR data, corroborating the validity of the FDMRS-MCD approach. 2 ·1 In chapter 3, three Fe(II)-based, cubane-like complexes are presented, with formula [Fe(hmp)(MeOH)Cl]4 (complex 4), [Fe(hmp)(EtDH)Cl]4 (complex 5) and [Fe(hmp)(EtXan)]4 (complex 6). A study of the magnetic anisotropy and of the spin-spin coupling interactions in these complexes is described, which employed X-ray crystallography, Mossbauer spectroscopy and SQUID magnetometry. In addition, a detailed study was carried out on 4 and 5 by means of W-band EPR and MCD spectroscopies.2 Complexes 4-6 have been found to have a spin ground state S = 8 arising from ferromagnetic superexchange interactions, and a large positive anisotropy which has been estimated by means of simulations of the EPR and SQUID data. The fourth chapter deals with a heptanuclear, mixed-valence cluster complex with formula [FeII6FelII(hmp)12][BF4h (complex 7), which displays SMM behaviour. A preliminary study of the magnetic properties of this species is presented and correlated with its structural parameters. Two distinct relaxation processes have been detected in the solid state AC susceptibility measurements, while only one relaxation process is observed in solution as highlighted by ColeCole plots. Chapter 5 presents a series of compounds (8-17) that have been obtained serendipitously during the timeframe of this project. The preparation of these compounds is described, as well as a preliminary description of their structures. The sixth and final chapter draws final conclusions on the results presented in Chapters 2-5 and suggests desirable 3 ! :1 developments for the research outlined in this work, as well as the potential challenges and requirements for such developments. The crystallographic information files for complexes 3, 4, 5, 6 and 7 are included in electronic format on a DVD attached to the thesis. Two journal articles have also been published1,2 presenting the findings that we discuss here in chapter 2 and 3, and will be referred to in the text. References

Η µελέτη του ρόλου των ανταγωνιστικών αλληλεπιδράσεων στη µαγνητική συµπεριφορά υλικών µε δοµή περοβσκίτη αποτέλεσε το αντικείµενο της εργασίας αυτής. Συγκεκριµένα, µελετήθηκαν περοβσκίτες της µορφής RBaCuΤO5+y, όπου το R συµβολίζει σπάνια γαία και το Τ ένα µεταβατικό µέταλλο. Στα συστήµατα αυτά, αρχικά, έγιναν υπολογισµοί ηλεκτρονικής δοµής της ύλης από πρώτες αρχές, οι οποίοι υποδεικνύουν πως η κατανοµή των κατιόντων Cu και T στις θέσεις τους που ευνοείται ενεργειακά είναι η τυχαία. Για την εξέταση της µαγνητικής συµπεριφοράς της βασικής κατάστασης των εµπλουτισµένων µε οξυγόνο ενώσεων RBaCuTO5+y, πραγµατοποιήθηκαν υπολογισµοί ηλεκτρονικής δοµής της ύλης µε το πρότυπο Hubbard οι οποίοι έδειξαν ότι η παρουσία των προσµίξεων οξυγόνου είναι καταλυτική στη συµπεριφορά του συστήµατος κοντά στις διαχωριστικές γραµµές στο διάγραµµα φάσεων και επηρεάζουν τη χωρική εξάρτηση της µαγνήτισης. Στη συνέχεια, για να µελετηθεί η επίδραση της θερµοκρασίας, πραγµατοποιήθηκαν υπολογισµοί µε προσοµοιώσεις Monte Carlo, οι οποίoι δείχνουν πως η ύπαρξη δύο µαγνητικών ροπών στο σύστηµα είναι καθοριστική για τις ιδιότητές του. Επίσης, ανάλογα µε τη συγκέντρωση y του επιπλέον οξυγόνου, αυτό εµφανίζει µαγνητική τάξη άλλοτε σε δύο και άλλοτε σε τρεις διαστάσεις. Ένα άλλο συµπέρασµα είναι ότι η θερµοκρασία Tc µετάβασης στη µη µαγνητική φάση δεν επηρεάζεται σηµαντικά από την τιµή της συγκέντρωσης y. Τέλος, µελετήθηκαν, στα πλαίσια της θεωρίας µέσου πεδίου, οι µαγνητικές ιδιότητες των περοβσκιτών της µορφής La1-yAyMn1-xFexO3 (όπου A είναι Ca ή Pb, και οι παράµετροι y και x παίρνουν τιµές στις περιοχές 0.2<0.5 και x<0.1 αντίστοιχα) που χαρακτηρίζονται από κολοσσιαία µαγνητοαντίσταση (CMR). Οι υπολογισµοί µας έδειξαν ότι, η θερµοκρασία Tc παρουσιάζει γραµµική µείωση µε την αύξηση του ποσοστού αντικατάστασης x του Mn από τον Fe. Τα αποτελεσµατά µας συγκρίθηκαν µε πειραµατικά δεδοµένα, όπου αυτά υπάρχουν, και βρέθηκαν σε συµφωνία, γεγονός που επιβεβαιώνει ότι οι ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις που εισάγονται στα συστήµατα αυτά είναι υπεύθυνες για τη µεταβολή της µαγνητικής τους δοµής και ιδιοτήτων. / -

No description available.

The development of active 'smart materials', which are materials that can change their physical properties when subject to an external stimulus such as a thermal, mechanical or magnetic energy, are expected to significantly enhance technology developments in future years. These new materials can be integrated into existing technologies to increase efficiency, performance, durability and size reduction.

- / -

In the first section, the magnetisation characteristics of the switched-reluctance motor are examined. Measurements have been carried out using both static and dynamic test methods. The test data has been compared with simulation results from analytical design programs and finite element models. The effects of mutual coupling on the magnetisation characteristics are investigated through measurement and simulation. Results show that the degree of mutual coupling is strongly dependent on the winding arrangement of the machine. In the next section, the difficulties in measuring the properties of permanent-magnet machines are discussed in detail, and solutions to common problems proposed. The measurement and analysis methods used for the switched-reluctance motor are further developed for analysis of permanent magnet machines. Techniques for determining the variation in synchronous reactances and permanent magnet flux are presented. Finite element simulations are used to show the variation of magnet flux under loading, a condition ignored in classical analysis methods. The final section discusses the analysis of magnetisation characteristics of electrical sheet steels. Comparison is made between measurements carried out on single sheet tester and Epstein square test rigs. The iron losses of a typical non-grain-orientated steel are measured under both sinusoidal and nonsinusoidal flux density conditions. The iron losses are shown to increase significantly when higher harmonic components are introduced to the flux density waveform. The difficulties in modelling the nonlinear iron loss characteristics of electrical steels are considered.

Τα τελευταία χρόνια υπάρχει εκτεταμένη πειραματική και θεωρητική μελέτη στην περιοχή των νανοσωματιδίων διότι βρίσκουν εφαρμογές σαν μέσα μαγνητικής εγγραφής και αποθήκευσης πληροφοριών και πιο πρόσφατα στην ιατρική. Στόχος των ερευνών είναι να κατασκευαστούν όσο το δυνατό μικρότερα σε μέγεθος νανοσωματίδια, στα οποία όμως οι μαγνητικές ιδιότητες να είναι σταθερές σε θερμοκρασία δωματίου, δηλαδή με μεγάλη ανισοτροπία. Τα σύνθετα νανοσωματίδια με μορφολογία σιδηρομαγνητικού πυρήνα/αντισιδηρομαγνητικού φλοιού εμφανίζουν μία επιπλέον ανισοτροπία την ανισοτροπία ανταλλαγής η οποία τα καθιστά θερμικά σταθερά σε μικρό μέγεθος. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε η τεχνική Μetropolis Monte Carlo για την μελέτη της μαγνητικής συμπεριφοράς νανοσωματιδίων με μορφολογία πυρήνα/φλοιού τα οποία εμφανίζουν την ανισοτροπία ανταλλαγής. Η τεχνική αυτή έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να περιλάβει στους υπολογισμούς τις λεπτομέρειες της μικροδομής του συστήματος και την θερμοκρασία. Στόχος της εργασίας μας ήταν με την ανάπτυξη κατάλληλου θεωρητικού μοντέλου να μελετηθεί ο μηχανισμός που προκαλεί την εμφάνιση της ανισοτροπίας ανταλλαγής και οι παράγοντες που επηρεάζουν τόσο την εμφάνιση της όσο και την ισχύ της. Βρήκαμε ότι η ανισοτροπία ανταλλαγής η οποία επάγεται από την αλληλεπίδραση ανταλλαγής κατά μήκος της σιδηρομαγνητική/αντισιδηρομαγνητική διεπιφάνειας οφείλεται στην ύπαρξη μη αντισταθμισμένων μαγνητικών ροπών στην διεπιφάνεια μεταξύ σιδηρομαγνητικού πυρήνα του νανοσωματιδίου και αντισιδηρομαγνητικού φλοιού και οι παράγοντες που επηρεάζουν το μέγεθος της είναι α)το πάχος του φλοιού, έχουμε εμφάνιση της μετά το δεύτερο στρώμα αντισιδηρομαγνητικού φλοιού β)το μέγεθος της σταθεράς ανταλλαγής στην διεπιφάνεια και λιγότερο στον φλοιό που ενισχύουν το φαινόμενο, γ)το και το είδος της ανισοτροπίας στον φλοιό, είναι πιο έντονη για ανισοτροπία z-άξονα στο φλοιό και δ)από το μέγεθος της ανισοτροπίας της διεπιφάνειας. Ένα άλλο φαινόμενο που συνδέεται με την εμφάνιση της ανισοτροπίας ανταλλαγής είναι η κάθετη μετατόπιση. Δηλαδή η ασσυμετρία του βρόχου υστέρησης των σύνθετων νανοσωματιδίων με μορφολογία πυρήνα φλοιού στον κάθετο άξονα της μαγνήτισης. Οι υπολογισμοί μας έδειξαν ότι σε αντίθεση με την ανισοτροπία ανταλλαγής η κάθετη μετατόπιση οφείλεται στην ύπαρξη του συνολικού αριθμού των μη αντισταθμισμένων μαγνητικών ροπών του φλοιού και όχι μόνο της διεπιφάνειας. Οι υπολογισμοί μας συγκρίθηκαν με πρόσφατα πειραματικά αποτελέσματα, και βρέθηκαν σε πολύ καλή συμφωνία. Επιβεβαιώνοντας ότι οι ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις που οφείλονται στην ύπαρξη ανταγωνιστικών αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής σε σύνθετα νανοσωματίδια με μορφολογία σιδηρομαγνητικού πυρήνα/αντισιδηρομαγνητικού φλοιού είναι υπεύθυνες για τη μεταβολή των μαγνητικών τους ιδιοτήτων σε σχέση με αυτές των σιδηρομαγνητικών νανοσωματιδίων. / The magnetic properties of nanoparticles have been subject of continuously growing interest, driven by fundamental research and technological interest especially in the magnetic recording industry and more recently in medicine. The small size of the nanoparticles and the reduced symmetry at their surface result in high coercivity. More recently, the requirement for stable magnetic behavior of the nanoparticles at room temperature led to the development of complex spin nanostructures with core/shell morphology that results to enhanced magnetic anisotropy. Composite nanoparticles with ferromagnetic core/ antiferromagnetic shell morphology have an extra anisotropy, the exchange anisotropy which makes them thermally stable in room temperature even in the case of very small size. In the current work we use the Metropolis Monte Carlo method to study the magnetic behaviour of nanoparticles with core/shell morphology which exhibit exchange anisotropy. The advantages of this method is that the microstructure of the nanoparticles is explicitly included and the temperature. The main goal of this thesis was to develop an appropriate theoretical model for the study of the origin of the exchange anisotropy and the parameters which affect its appearance and its magnitude. We find that the exchange anisotropy which is induced by the exchange interaction between ferromagnetic core and antiferromagnetic shell in the interface can is due to the existence of uncompensated bonds along the interface. The size of the exchange anisotropy depends on a) the shell thickness, at least two antiferromagnetic shell layers are necessary for the appearance of the effect, b) the magnitude of exchange interaction at the interface and at the shell influence the strength of the exchange anisotropy also c) the type of anisotropy in the antiferromagnetic shell, it is bigger for z-axis shell anisotropy and d) the magnitude of anisotropy at the interface. Another phenomenon which is related with exchange anisotropy is the vertical shift i.e. the asymmetry of the hysterisis loop on the vertical axis. Our calculations show that this shift depends on the total number of the uncompensated spins in the antiferromagnetic shell and not only from the interface. Our calculations are in good agreement with recent experimental results. This confirms that exchange interaction between ferromagnetic core and antiferromagnetic shell is responsible for the exchange anisotropy effect in these composite nanoparticles with ferromagnetic core/antiferromagnetic shell morphology that results to magnetic behaviour different from that of pure ferromagnetic nanoparticles.

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.

Depuis une quinzaine d’années, de nombreuses solutions différentes ont été proposés afin de modifier l’aimantations de matériaux sans aucun champ magnétique extérieur appliqué. La manipulation d’aimantation à moindre coût énergétique, de préférence à des échelles de temps ultracourtes, est devenu un enjeu fondamental avec des implications pour les technologies d’enregistrement magnétique et de nouvelles sortes de stockage. Sur ce chemin, le type d’interaction découverte par Stanciu et al. ouvre la voie à l’utilisation de la lumière comme moyen d’exciter et de sonder directement les matériaux magnétiques. La description des théories et modèles existants dans ce domaine permet de nous rendre attentif sur les différents paramètres impliqués par l’interaction des lasers ultrarapides et matériaux magnétiques. L’entrelacement spécifique des impulsions de chaleur et de moment angulaire propre aux lasers ultrarapides est mise en avant afin de discuter de leur rôle dans les phénomènes observés. Le délai des interactions responsables de l’état final de l’aimantation est abordé et notamment la manière dont celle-ci ont un impact sur la façon dont le système se stabilise après une excitation laser. En outre, nous nous sommes intéressés à la relation entre les paramètres matériels et l’état final de l’aimantation obtenue avec un laser ultrarapide. Grâce aux nombreuses classes de matériaux magnétiques existantes les paramètres magnétiques peuvent être ajustés dans une grande gamme de valeurs et de manière entièrement contrôlés. Notre installation d’imagerie magnétique est alors capable de sonder les caractéristiques optiques et la stabilité des domaines après l’excitation. Nous avons finalement démontré que le retournement optique dépendent de l’hélicité peut être observée non seulement dans un grand nombre de couches minces d’alliages de terre rare-métaux de transition (RE-TM) mais aussi dans une variété beaucoup plus large de matériaux, y compris les multicouches et hétérostructures de RE-TM. Nous montrons en outre que les hétérostructures ferrimagnétiques dépourvues de terres rares présentent également un retournement optique. Nous avons en plus développé le contrôle optique de multicouches ferromagnétiques dont des films granulaires actuellement explorés pour l’enregistrement magnétique ultra-haute densité de demain. Notre découverte montre que la manipulation de l’aimantation dans des matériaux magnétiques est un phénomène beaucoup plus général que précédemment suspecté et peut avoir un impact majeur sur l’enregistrement magnétique et le stockage de l’information grâce à l’intégration nouvelle de ce type de contrôle optique dans des bits ferromagnétiques / The possibilities of modifying magnetization without applied magnetic fields have attracted growing attention over the past fifteen years. The low-power manipulation of magnetization, preferably at ultrashort timescales, has become a fundamental challenge with implications for future magnetic information memory and storage technologies. In particular the interplay of laser and magnetism recently discovered by Stanciu et al. opens up new way for light to be used as an excitation and a probe of magnetic materials. A description of the current models and frameworks developed in the field requires a careful look at the different parameters involved through the interaction of ultrafast lasers and magnetic materials. The specific and complex interplay between heat and angular momentum transfer is highlighted in order to discuss the role of each of them in the phenomena observed. The timescales of the different interactions responsible for the final state of magnetization are presented and will impact the way the system recovery after a laser excitation. Besides we were interested in exploring the relation between the material parameters such as anisotropy, ordering temperature and exchange coupling on the final state of magnetization obtained with a laser. Indeed thanks to the many different magnetism classes existing the magnetic parameters can be tuned widely and in a controlled manner. Our imaging setup then is able to probe the optical characteristics and domain stability after the laser excitation. We finally demonstrated that all-optical helicity-dependent switching (AO-HDS) can be observed not only in selected rare earth-transition metal (RE-TM) alloy films but also in a much broader variety of materials, including RE-TM alloys, multilayers and heterostructures. We further show that RE-free Co-Ir-based synthetic ferrimagnetic heterostructures designed to mimic the magnetic properties of RE-TM alloys also exhibit AO-HDS. We further developed the optical control of ferromagnetic materials ranging from magnetic thin films to multilayers and even granular films being explored for ultra-high-density magnetic recording. Our finding shows that optical control of magnetic materials is a much more general phenomenon than previously assumed and may have a major impact on data memory and storage industries through the integration of optical control of ferromagnetic bits