Das Co2FeSi/GaAs-Hybridsystem wurde hinsichtlich seiner Eignung für Anwendungen in der Spintronik untersucht. Die Heusler-Legierung Co2FeSi ist ein aussichtsreicher Kandidat für derartige Anwendungen, weil der vollständig geordneten Kristallphase Halbmetallizität, d. h. eine Spinpolarisation von 100% an der Fermi-Energie, vorhergesagt wird. Zunächst wurde im Rahmen dieser Arbeit die elektrische Spininjektion und Spindetektion in lateralen Transportstrukturen in der sogenannten nicht-lokalen Konfiguration sowohl für die vollständig geordnete, als auch für eine teilweise ungeordnete Kristallphase mittels Spinventil- und Hanle-Messungen nachgewiesen. Die Abhängigkeiten der Spinsignale vom Strom und von der Temperatur konnten erklärt werden und eine Spininjektionsefizienz von 16 bzw. 9% wurde ermittelt. Für den praktischen Einsatz werden allerdings lokale Spinventile benötigt, deren Funktionsfähigkeit für beide kristallinen Ordnungen demonstriert wurde. Der Magnetowiderstand, der ein Maß für die Güte der lokalen Spinventile darstellt, beträgt 0.03% und liegt im Bereich des theoretisch zu erwartenden Wertes. Anhand des sogenannten Fert-Kriteriums konnten die Gründe für diesen niedrigen Wert aufgezeigt werden. Des Weiteren ließ ein Vergleich der lokalen und nicht-lokalen Spinsignale auf eine hohe Spinpolarisation des Co2FeSi schließen. Die Spinextraktion bietet neben der Spininjektion eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Spinakkumulation in einem Halbleiter. Die Stromabhängigkeiten von Spininjektion und Spinextraktion unterscheiden sich für beide kristallinen Phasen des Co2FeSi. Das stark unterschiedliche Verhalten konnte anhand des Einflusses der jeweiligen Bandstruktur auf die Spinerzeugung erklärt werden. Des Weiteren konnte aus dem Vergleich zwischen der Messungen und der theoretisch vorhergesagten Bandstruktur der halbmetallische Charakter der vollständig geordneten Kristallphase nachgewiesen werden. / The Co2FeSi/GaAs hybrid system was investigated regarding its suitability for spintronic applications. The Heusler-compound Co2FeSi is a promissing canditate for these kind of applications due to the predicted half-metallicity, i. e. a 100% spin polarisation at the Fermi energy, for its fully ordered crystall phase. The electrical spin injection and detection was demonstrated in lateral tranpost structures in the so called non-local geometry for the fully ordered and for a partly disordered crystall phase by observing spin valve signatures and Hanle characteristics. The current and temperature dependence of the spin signals was explained and a respective spin injection efficiencies of 16 and 9% determined. For practical use one needs local spin valves, which where demonstrated for both crystalline phases. The magnetoresistance, a measure of the goodness of a local spin valve, was 0.03%, i. e. in the theoretically expected range. Making use of the so-called Fert criterion the reasons for this low value could be pointed out. Further the quotient of the local and non-local spin signals implied a high spin polarisation of the Co2FeSi. Spin extraction is another method to create a spin accumulation in a semiconductor. The current dependece of the spin injection and the spin extraction signals strongly depends on the degree of ordering in the Co2FeSi lattice. The different behavior is explanied by the crucial influence of the respective electronic band structure on the spin generation processes. Further, the comparison between the measured signals and the theoretically calculated electronic band structure hints towards the half-metalicity of the fully ordered crystall phase of Co2FeSi.

Aims: This paper extends previous studies in modeling time varying linear polarization due to axisymmetric magnetic fields in rotating stars. We use the Hanle effect to predict variations in net line polarization, and use geometric arguments to generalize these results to linear polarization due to other mechanisms. Methods: Building on the work of Lopez Ariste et al., we use simple analytic models of rotating stars that are symmetric except for an axisymmetric magnetic field to predict the polarization lightcurve due to the Hanle effect. We highlight the effects for the variable line polarization as a function of viewing inclination and field axis obliquity. Finally, we use geometric arguments to generalize our results to linear polarization from the weak transverse Zeeman effect. Results: We derive analytic expressions to demonstrate that the variable polarization lightcurve for an oblique magnetic rotator is symmetric. This holds for any axisymmetric field distribution and arbitrary viewing inclination to the rotation axis. Conclusions: For the situation under consideration, the amplitude of the polarization variation is set by the Hanle effect, but the shape of the variation in polarization with phase depends largely on geometrical projection effects. Our work generalizes the applicability of results described in Lopez Ariste et al., inasmuch as the assumptions of a spherical star and an axisymmetric field are true, and provides a strategy for separating the effects of perspective from the Hanle effect itself for interpreting polarimetric lightcurves.

Le spectre de polarisation linéaire observé au bord solaire (second spectre solaire) révèle une structure riche d'informations. L'interprétation quantitative de ce spectre de polarisation nécessite de prendre en compte les taux de dépolarisation par les collisions isotropes avec les atomes neutres d'hydrogène. Ces taux sont très mal connus à l'heure actuelle. Le développement d'une méthode collisionnelle, applicable au grand nombre d'atomes présents dans le second spectre solaire, et qui soit suffisamment précise et efficace, est indispensable pour combler ce vide. L'objectif de cette thèse est de répondre à ce besoin urgent. Dans cette thèse nous avons développé une nouvelle méthode semi-classique pour calculer les taux de dépolarisation et les taux de transfert de polarisation des raies spectrales des atomes et des ions par collisions avec les atomes neutres d'hydrogène (Derouich et al. 2003a; Derouich et al. 2003b; Derouich et al. 2004a; Derouich et al. 2004b). Notre méthode est une extension de celle développée et appliquée avec succès aux élargissement des raies par collisions avec les atomes neutres d'hydrogène, dans les années 90, par Anstee, Barklem et O'Mara. Un grand avantage de notre méthode est qu'elle n'est pas spécifique à un atome/ion perturbé donné; elle peut Ítre facilement appliquée à n'importe quel état de n'importe quel atome. Nous avons développé un code numérique pour calculer les taux de dépolarisation par notre nouvelle méthode, code inspiré de celui qui calcule l'élargissement des raies de Anstee, Barklem et O'Mara. Nous avons calculé les taux de dépolarisation pour les états $p$ $(l=1)$, $d$ $(l=2)$ et $f$ $(l$=3) des atomes neutres. Nous avons fourni des tableaux de données simples d'utilisation et permettant de déterminer les taux de dépolarisation pour de nombreux niveaux par interpolation ou par extrapolation. Nous avons étendu notre méthode et le code numérique qui lui est associé aux atomes une fois ionisés. Dans le but de valider notre théorie, nos résultats ont été comparés à des résultats de chimie quantique quand cela est possible. Les différences entre nos taux de dépolarisation et ceux obtenus par une approche de chimie quantique, dans les cas des atomes Na I, Mg I, et Ca I et l'ion Ca II, sont toujours inférieurs à 20 $\%$. De plus, nous nous sommes intéressé au cas important du SrI $5 p$ $^1P_{1}$: une erreur de 20-30 \% est attendue par rapport à des résultats basés sur un potentiel d'interaction hybride considéré comme étant le plus précis (section 6.5.1). Nos résultats ont été aussi comparé à ceux que nous avons obtenus en utilisant un potentiel de Van der Waals. Les taux de dépolarisation obtenus en utilisant ce potentiel sont largement sous-estimés. Nous avons ensuite interprété les observations des taux de polarisation linéaire de la raie \mbox{SrI 4607 Å}, obtenues avec THEMIS en Décembre 2002 par V. Bommier et G. Molodij, en terme de champ magnétique turbulent. Nous avons introduit nos taux de dépolarisation dans le code de transfert de rayonnement en présence de champ magnétique associé au formalisme développé par Landi Degl'Innocenti, Bommier et Sahal-Bréchot (1990). La détermination du champ magnétique dépend de faÁon très sensible de celle des vitesses microturbulente et macroturbulente. Nous avons déterminé Ces vitesses par superposition des profils des intensités théoriques, obtenus dans l'hypothèse d'une atmosphère non-magnétisée, à ceux observés. La différence entre la polarisation calculée pour une atmosphère non-magnétisée et la polarisation observée de la raie SrI 4607 Å $\;$ est cohérente avec la présence d'un champ magnétique moyen de 46 Gauss dans les région entre 200 et 300 km au-dessus du niveau correspondant à la profondeur optique $\tau_{5000}=1$. Enfin, nous avons montré qu'une erreur inférieure à 20 $\%$ sur les taux de dépolarisation correspond à une erreur inférieure à 10 $\%$ sur le champ magnétique turbulent qui en dérive. Cette erreur entre bien dans la barre d'erreur attendue sur la valeur du champ magnétique validant complètement notre méthode semi-classique de calcul des taux de dépolarisation pour contribuer à l'interprétation du second spectre du soleil.

Cette thèse étudie deux caractéristiques de l'atome hélium métastable importantes pour le refroidissement radiatif. Dans une première partie, on mesure le taux de pertes à deux corps dans un piège magnéto-optique. Ces pertes, accentuées en présence d'une irradiation quasi-résonante, sont principalement dues aux collisions ionisantes entre deux atomes métastables. On mesure le taux de pertes en étudiant l'évolution du nombre d'atomes dans le piège magnéto-optique par observation de la fluorescence ou des ions produits par les collisions. Nous étudions aussi les variations de ce taux en fonction du désaccord des lasers piège. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la description des expériences de mesurer les taux de transition des raies intercombinaison: 2^3P_1 vers 1^1S_0 et 2^3P_2 vers 1^1S_0. Le taux 2^3P_1 vers 1^1S_0 est mesuré en excitant une petite fraction d'atomes contenus dans un piège magnéto-optique vers l'état 2^3P_1. On observe une baisse de la durée de vie du piège magnéto-optique qui est la signature de la fuite vers l'état fondamental. Dans une deuxième expérience, on mesure le rapport des taux de transition de 2^3P_2 et 2^3P_1 vers 1^1S_0 en effectuant le rapport des flux de photons UV associés à la transition.

La possibilité d'injecter électriquement des porteurs polarisés en spin dans un semiconducteur (SC) et de convertir une accumulation de spin en un signal électrique ouvre la voie à de nouvelles fonctionnalités. Il a été montré que l'injection efficace de porteurs depuis un métal de transition ferromagnétique (FM) vers un SC requiert la présence d'une résistance optimisée conservant le spin à l'interface FM/SC. Nous avons mené une étude systématique de l'accumulation de spin par rapport à la modification des propriétés d'interface en sondant différents semiconducteurs tels que GaAs et Ge ainsi que des injecteurs isolant tunnel (I)/FM MgO/CoFeB, Al2O3/Co et Al2O3/NiFe. Nos mesures de magnétorésistance (MR) en géométrie 3 terminaux, en configuration Hanle ou Hanle inverse, ont révélé l'existence d'un champ magnétique fluctuant créant une dépolarisation du spin. Ceci provoque un élargissement artificiel du signal Hanle qui amène dans ce cas à sous-estimer la mesure du temps de vie de spin, ainsi qu'une amplitude d'accumulation de spin plusieurs ordres de grandeur plus forte que prédit théoriquement. Ces effets peuvent s'interpréter par une injection séquentielle sur des états localisés proches de l'interface I/SC. Le confinement spatial de ces états permet de comprendre la forte amplitude du signal observé. Les études en fonction de la tension et de la température viennent étayer ce mécanisme. Des simulations magnétiques d'un champ fluctuant lié au champ de fuite induit par la rugosité d'interface ou au champ hyperfin sur les états localisés ont été menées et permettent de reproduire qualitativement nos résultats.

This thesis is devoted to improve our knowledge on the theory of polarized line formation in a magneto-turbulent medium, and in a scattering dominated magnetized medium, where partial redistribution (PRD) effects become important. Thus the thesis consists of two parts. In the first part we carry out a detailed investigation on the effect of random magnetic fields on Zeeman line radiative transfer. In the second part we develop the theory of polarized line formation in the presence of arbitrary magnetic fields and with PRD. We present numerical methods of solution of the relevant transfer equation in both part-I and II. In Chapter I we give a general introduction, that describes the basic physical concepts required in both parts of the thesis. Chapters 2-6 deal with the part-I, namely stochastic polarized Zeeman line formation. Chapters 7-10 deal with part –II, namely the theory and numerics of polarized line formation in scattering media. Chapter II is devoted to the future outlook on the problems described in part-I and II of the thesis. Appendices are devoted to additional mathematical details. Part-I of the Thesis: Stochastic polarized line formation in magneto-turbulent media Magneto-convection on the Sun has a size spectrum that spans several orders of magnitudes and hence develops turbulent elements or eddies the sizes of which are much smaller than the spatial resolution of current spectro-polarimeters (about 0.2 arcsec or 150km at the photospheric level). We were thus strongly motivated to consider the Zeeman effect in a medium where the magnetic field is random with characteristic scales of variation comparable to the radiative transfer characteristic scales. In Chapter 2, we consider the micro-turbulent limit and study the mean zeeman absorption matrix in detail. The micro-turbulent limit refers to the case when the scales of fluctuations of the random field are much smaller than the photon mean free paths associated to the line formation. The ‘mean’ absorption and anomalous dispersion coefficients are calculated for random fields with a non-Zero mean value - isotropic or anisotropic Gaussian distributions that are azimuthally invariant about the direction of the mean field. The averaging method is described in detail, and fairly explicit expressions for the mean coefficients are established. A detailed numerical investigation of the mean coefficients illustrates two simple effects of the magnetic field fluctuations: (i) broadening of the components by fluctuations of the field strength, leaving the π-components unchanged, and (ii) averaging over the angular dependence of the π and components. Angular averaging can modify the frequency profiles of the mean coefficients quite drastically, namely, the appearance of an unpolarized central component in the diagonal absorption coefficient, even when the mean field is in the direction of the line-of-sight. For isotropic fluctuations, the mean coefficients can be expressed in terms of generalized Voigt and Faraday-Voigt functions, which are related to the derivatives of the Voigt and Faraday-Voigt functions. In chapter 3, we study these functions in detail. Simple recurrence relations are established and used for the calculation of the functions themselves and of their partial derivatives. Asymptotic expansions are also derived. In Chapter 4, we consider the Zeeman effect from a magnetic field which has a finite correlation length(meso-turbulence) that can be varied from zero to infinity and thus made comparable to the photon mean free-path. The random vector magnetic field B is modeled by a Kubo-Anderson process – a piecewise constant Markov process characterized by a correlation length and a probability distribution function(PDF) for the random values of the magnetic field. The micro- and macro-turbulent limits are recovered when the correlation length goes to zero or infinity respectively. Mean values and rms fluctuations around the mean values are calculated numerically for a random magnetic field with isotropic Gaussian fluctuations. The effects of a finite correlation length are discussed in detail. The rms fluctuations of the Stokes parameters are shown to be very sensitive to the correlation length of the magnetic field. It is suggested to use them as a diagnostic tools to determine the scale of unresolved features in the solar atmosphere. In Chapter 5, using statistical approach, we analyze the effects of random magnetic fields on Stokes line profiles. We consider the micro and macro-turbulent regimes, which provide bounds for more general random fields with finite scales of variations. The mean Stokes parameters are obtained in the micro-turbulent regime, by first averaging the Zeeman absorption matrix Φ over the PDF P(B) of the magnetic field and then solving the concerned radiative transfer equation. In the macro-turbulent regime, the mean solution is obtained by averaging the emergent solution over P(B). In this chapter, we consider the same Gaussian PDFs that are used to construct (Φ) in chapter 2. Numerical simulations of magneto-convection and analysis of solar magnetograms provide the empirical PDF for the magnetic field line-of-sight component on the solar atmosphere. In Chapter 6, we explore the effects of different kinds of PDFs on Zeeman line formation. We again consider the limits of micro and macro-turbulence. The types of PDFs considered are: (a) Voigt function and stretched exponential type PDFs for fields with fixed direction but fluctuating strength. (b) Cylindrically symmetrical power law for the angular distribution of magnetic fields with given field strength. (c) Composite PDFs accounting for randomness in both strength and direction obtained by combining a Voigt function or a stretched exponential with an angular power law. The composite PDF proposed has an angular distribution peaked about the vertical direction for strong fields and is nearly isotropically distributed for weak fields, which could mimic solar surface random fields. We also describe how the averaging technique for a normal Zeeman triplet may be generalized to the more common case of anomalous Zeeman splitting patterns. Part-II of the Thesis: Polarized line formation in scattering media-Theory and numerical methods Many of the strongest and most conspicuous lines in the Second Solar Spectrum are strong lines that are formed rather high, often in the chromosphere above the temperature minimum. From the standard, unpolarized and non-magnetic line-formation theory such lines are known to be formed under the conditions that are very far from local thermodynamic equilibrium. They are characterized by broad damping wings surrounding the line core. Doppler shifts in combination with collisions cause photons that are absorbed at a given frequency to be redistributed in frequency across the line profile in a complex way during the scattering process. Two idealized, limiting cases to describe this redistribution are “frequency coherence” and “complete redistribution” (CRD), but the general theory that properly combines these two limiting cases goes under the name “partial frequency redistribution” (PRD). Resonance lines which are usually strong can be properly modeled only when PRD is taken into account. To use these strong lines for magnetic field diagnostics we need a line scattering theory of PRD in the presence of magnetic fields of arbitrary strength. In the second part of the thesis we develop such a theory and derive the polarized PRD matrices. These matrices are then used in the polarized line transfer equation to compute the emergent Stokes parameters. Polarized scattering in spectral lines is governed by a 4 x 4 matrix that describes how the Stokes vector is scattered in all directions and redistributed in frequency within the line. In Chapter 7, using a classical approach we develop the theory for this redistribution matrix in the presence of magnetic fields of arbitrary strength and direction, and for a J = 0 → 1 → 0 transition. This case of arbitrary magnetic fields is called the Hanle-Zeeman regime, since it covers both the partially overlapping weak and strong-field regimes, in which the Hanle and Zeeman effects respectively dominate the scattering polarization. In this general regime the angle-frequency correlations that describe the so-called PRD are intimately coupled to the polarization properties. We also show how the classical theory can be extended to treat atomic and molecular scattering transitions for any combinations of J quantum numbers. In chapter 8 , we show explicitly that for a J = 0 → 1 → 0 scattering transition there exists an equivalence between the Hanle-Zeeman redistribution matrix that is derived through quantum electrodynamics(Bommier 1997b) and the one derived in Chapter 7 starting from the classical, time-dependent oscillator theory of Bommier & Stenflo (1999). This equivalence holds for all strengths and directions of the magnetic field. Several aspects of the Hanle-Zeeman redistribution matrix are illustrated, and explicit algebraic expressions are given, which are of practical use for the polarized line transfer computations. In chapter 9, we solve the polarized radiative transfer equation numerically, taking into account both the Zeeman absorption matrix and the Hanle-Zeeman redistribution matrix. We compute the line profiles for arbitrary field strengths, and scattering dominated line transitions. We use a perturbation method (see eg. Nagendra et al. 2002) to solve the Hanle-Zeeman line transfer problem. The limiting cases of weak field Hanle scattering and strong field Zeeman true absorption are retrieved. The ilntermediate regime, where both Zeeman absorption and scattering effects are important, is studied in some detail. Numerical method used to solve the Hanle-Zeeman line transfer problem in Chapter 9 is computationally expensive. Hence it is necessary to develop fast iterative methods like PALI (Polarized Approximate Lambda Iteration). As a first step in this direction we develop such a method in Chapter 10 to solve the transfer problem with weak field Hanle scattering. We use a ‘redistribution matrix’ with coupling between frequency redistribution and polarization and no domain decomposition. Such a matrix is constructed by angle-averaging the frequency dependent terms in the exact weak field Hanle redistribution matrix for a two-level atom with unpolarized ground level (that can be obtained by taking the weak field limit of the Hanle-Zeeman redistribution matrix). In the past, the PALI technique has been applied to redistribution matrices in which frequency redistribution is ‘decoupled’ from scattering polarization, the decoupling being achieved by an adequate decomposition of the frequency space into several domains. In this chapter, we examine the consequences of frequency space decomposition, and the resulting decoupling between the frequency redistribution and polarization, on the solution of the polarized transfer equation for the Stokes parameters.

We give a brief introduction to atomic physics and the motivation behind our experiments in the first chapter. The electron’s electric dipole moment is an interesting quantity which is yet to be measured. In the 3rd Chapter, we use the technique of chopped non-linear magneto-optic rotation (NMOR) in a room temperature Cs vapor cell to measure the permanent electric dipole moment (EDM) in the atom. The cell has paraffin coating on the walls to increase the relaxation time. The signature of the EDM is a shift in the Larmor precession frequency correlated with the application of an E field. We analyze errors in the technique, and show that the main source of systematic error is the appearance of a longitudinal magnetic field when an electric field is applied. This error can be eliminated by doing measurements on the two ground hyperfine levels. Using an E field of 2.6 kV/cm, we place an upper limit on the electron EDM of 2.9 × 10−22 e-cm with 95% confidence. This limit can be increased by 7 orders-of-magnitude—and brought below the current best experimental value. We give future directions for how this may be achieved. In chapter 4, we examine the Hanle effect for linear and circularly polarized light for different ground states and we find opposite behavior in the transmission signal. In one case, it shifts from enhanced transmission to enhanced absorption and vice-versa in the other case. In Chapter 5, we study the transmission spectrum at different temperatures and device a way to find the number density. We then verify the Clausius-Clapeyron equation and also find the latent heat of vaporization of Cs. Finally, we wrap up with conclusions and future directions.

No description available.

Cette thèse porte sur l’étude des courants de spin et de l’effet Hall de spin dans des nanostructureslatérales. Des vannes de spin latérales Py/Al, Py/Cu et Py/Au, ont été fabriquées parlithographie électronique, puis optimisées et caractérisées par des mesures de magnéto-transport.Des mesures non locales, de GMR, et d’effet Hanle ont ainsi été enregistrées à 300K et 77K. De l’optimisation des vannes de spin latérales a découlé l’observation de fortes amplitudes designal de spin. De plus, les effets du confinement latéral et vertical de l‘accumulation de spin,par utilisation d’un canal non-magnétique confiné ou de barrières tunnel AlOx, ont été mis enévidence expérimentalement et décrits théoriquement. Des simulations par éléments finis et desanalyses basées sur les modèles de diffusion 1D ont été développées, permettant l’extraction de lapolarisation effective Peff et de la longueur de diffusion de spin lNsf des données expérimentales.Enfin, l’effet Hall de spin dans des matériaux à fort angles de Hall (Pt, aliage d’Au) a étéétudié dans des hétérostructures latérales et par pompage de spin à la résonance ferromagnétique. / This PhD thesis focus on the study of spin currents and of the spin Hall effect in lateralnano-structures. Lateral spin-valves based on Py/Al, Py/Cu and Py/Au, fabricated by meansof electron-beam lithography, have been optimized and characterized using magneto-resistancemeasurements. Non-local, GMR and Hanle effect measurements have been recorded at 300K and77K. The optimization of these lateral spin-valves allowed the observation of high spin signalamplitudes. Lateral and vertical confinement effects on the spin accumulation, by using confinednon-magnetic channel and AlOx tunnel barriers, were evidenced experimentally and describedtheoretically. Finite Elements Method simulations and analyses based on a 1D diffusion modelhave been developed, allowing the extraction from our experimental data of the effective spinpolarization Peff and of the spin diffusion length lNsf .Finally, the spin Hall effect of materials with high spin Hall angles (Pt, Au alloys) has beenstudied using both hybrid lateral nano-structures and spin pumping ferro-magnetic resonance.