Spintronique moléculaire : de la vanne de spin à la détection d'un spin unique. Parmi les thématiques qui ont émergé ces dix dernières années, la spintronique moléculaire est intéressante de par son caractère hybride, à la croisée entre l'électronique de spin, l'électronique moléculaire et le magnétisme moléculaire. Dans ce nouveau domaine, on cherche à exploiter les propriétés magnétiques et quantiques des aimants moléculaires pour créer des dispositifs originaux, utiles en spintronique ou en information quantique. Mon projet de thèse s'inscrit dans cette perspective en voulant combiner un transistor à nanotube de carbone avec des aimants à molécule unique, en les couplant par des interactions supramoléculaires. L'objectif est d'observer le renversement magnétique d'une seule molécule par des mesures de transport électronique à travers le nanotube. En effet, le diamètre de ce dernier étant comparable aux dimensions d'un aimant moléculaire, le couplage devrait être suffisamment fort pour en permettre la détection. La réalisation d'un tel dispositif, un défi technique, et la question de savoir s'il était réellement possible de détecter et de caractériser le moment d'une seule molécule ont constitué les deux enjeux majeurs de cette thèse. Une grande partie du travail réalisé porte sur la fabrication du dispositif expérimental par des techniques de micro- et nano-fabrication, ainsi que sur l'optimisation du greffage des aimants moléculaires sur la surface du nanotube. Dans un second temps, nous nous intéressons à l'étude du système et à son comportement à très basse température (100 mK). En effet, la proximité des aimants moléculaires TbPc2 modifie de façon spectaculaire les propriétés de transport d'un nanotube. En particulier, nous présentons la réalisation d'un dispositif dont la réponse est analogue à une vanne de spin classique, où les molécules magnétiques jouent le rôle de polariseur ou d'analyseur de spin. Grâce à ce système, nous avons réussi à affiner nos connaissances sur TbPc2. Entre autres résultats, nous sommes parvenus à isoler et à caractériser le retournement du moment magnétique d'un seul ion de terbium. Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de l'interaction hyperfine au sein du terbium. En réalisant un dispositif qui n'est couplé qu'à deux molécules, nous avons mis en évidence qu'il est possible de réaliser une lecture directe de l'état d'un spin nucléaire unique. / Nowadays, new directions in quantum spintronics aim at transposing the existing concepts and at developing alternative ones with various types of materials, from inorganic to -conjugated organic semiconductors. In this context, single molecule-magnets (SMMs) are interesting candidates to be integrated in molecular spintronics devices. Such devices lead the way for the electronic detection and coherent manipulation of SMMs spin states, exploitable in quantum computation schemes. We developed for this purpose an innovative multi-terminals device based on a carbon nanotube quantum dot, laterally coupled to few SMMs through supramolecular interaction. The conductance of the nanotube is measured at very low temperature (40 mK) and each time one of the SMM magnetic moment reverses, the conductance changes. The latters act on the conduction electron through the QD as spin polarizer and analyzer. This spin-valve effect gives access to the behavior of a single localized spin by standard electrometry We report a full magnetic characterization of a single bis-phthalocyaninato terbium complex (TbPc2). In particular, we performed a detailed study of quantum tunnelling of the magnetization of the Tb electronic moment and we present a read-out technic of the Tb nuclear spin state. These results open up strong perspectives for a coherent manipulation of a single nuclear spin in TbPc2.

La compétition des interactions est une caractéristique essentielle des systèmes frustrés, elle est à l'origine d'une large dégénérescence des états fondamentaux classiques ou, obtenus par une théorie de champ moyen.Fréquemment la dégénérescence peut être levée par des fluctuations thermiques ou quantiques, ce qui constitue la base du mécanisme appelé textit{ordre par le désordre}.Les systèmes magnétiques étudiés expérimentalement contiennent une quantité inévitable de désordre structural.Dans cette thèse de doctorat, l'influence des défauts, créé par des sites inoccupés ou par un désordre des liens sur l'espace dégénéré des états fondamentaux est étudiée pour des systèmes frustrés divers.Nous avons trouvé qu'un désordre structural est, lui aussi, capable de lever systématiquement la dégénérescence; par ailleurs, la tendance est inverse par rapport au le mécanisme d'ordre par le désordre produit par les fluctuations.Pour chacun des modèles considérés, les corrections à l'énergie ont été calculées sous la forme de termes anisotropes effectifs qui agissent sur l'espace dégénéré des états fondamentaux.Ces arguments analytiques ont été confirmés par des calculs numériques que nous avons effectués par minimisation de l'énergie, ainsi que par simulation de type Monte-Carlo classique. La séquence des états ordonnés que nous avons détectée est attribuée à la compétition entre l'effet d'ordre induit par les fluctuations et celui induit par les défauts structuraux. L'effet observé peut ouvrir des possibilités supplémentaires de contrôler la structure magnétique des systèmes.Enfin, les effets d'un champ magnétique externe ont été étudiés pour le système antiferromagnétique pyrochlore pur avec anisotropie de plan facile.Nous avons observé des transitions de phases qui dépendent de l'orientation du champ et qui n'existent pas dans la description de type champ moyen du système. Elles constituent une généralisation des transitions de type spin-flop pour le cas de la symétrie discrète $mathbb{Z}_k$ brisée avec $k > 2$. / Competing interactions is an essential feature of frustrated systems, they stand behind the large degeneracy of classical or mean-field ground states.%produce degeneracy of classical mean-field ground states.In many cases the degeneracy can be lifted by thermal and quantum fluctuations, such mechanism is commonly called textit{order from disorder}.Experimentally studied magnetic systems inevitably contain a finite amount of structural disorder.In this work the influence of defects, namely vacancies and bond disorder, on a degenerate ground state manifold is studied for various frustrated systems.We find that quenched disorder is also capable of consistently lifting the degeneracy, moreover, it has%in a wide range of frustrated systems.%Moreover, the effect of quenched disorder leads toan opposite tendency, compared to the order by disorder mechanism, produced by fluctuations.For every considered model, analytic energy corrections are derived in the form of effective anisotropic terms, which act on the manifold of degenerate ground states.Analytical arguments are confirmed by numerical calculations, which include energy minimization and classical Monte Carlo simulations.The detected sequences of ordered states is attributed to competition of fluctuations and structural disorder.The observed effect can open additional possibilities in tuning magnetic structure of the system.Finally, the effect of external magnetic field is investigated for the pure $XY$ pyrochlore antiferromagnet.Depending on the field orientation we observe phase transitions, which do not exist within the mean-field description of the system.They are generalizations of the spin-flop transition for the case of broken discrete $mathbb{Z}_k$ symmetry with $k > 2$.

Submitted by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2016-09-12T14:59:03Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 6611064 bytes, checksum: 227009006d1b549d0d1127f1094bb17d (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-12T14:59:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 6611064 bytes, checksum: 227009006d1b549d0d1127f1094bb17d (MD5) Previous issue date: 2015-11-27 / This work aimed to develop a torque transducer in rotating shafts through a new approach, using neodymium magnets and Hall effect sensor. Measuring and controlling the torque in rotating systems is essential to prevent disruptions, damage, wear and other kinds of damage that the machine may suffer due to overexertion in particular axis. However, make this measurement in full operation of the machine / system is not a simple task, mainly because of the needing of extract information under rotating shaft. Currently they are used measurements with elements attached to the shaft that require electrical power and also transmit data, either through slip rings, transformers or telemetry systems. Thus, this work proposes the use of magnets coupled to the shaft and a magnetic field measuring system with hall effect sensors. The relative movement between the magnets resulting from deformation due to twisting will increase or reduce the intensity of the magnetic field. By measuring the intensity of resultant field, it is possible to determine the radial deflection of the shaft. The acquisition system has computer interface developed in Labview. Static and dynamic tests were carried out in the laboratory in order to validate the technique developed and compare the instrument developed with techniques already widespread in the industrial environment. The results showed the efficiency of the technique and point to the applications of this dynamic torque wrench by Hall effect. / O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um transdutor de torque em eixos girantes através de uma nova abordagem, usando ímãs de neodímio e sensor de efeito Hall. Medir e controlar o torque em sistemas rotativos é essencial, para prevenir rupturas, danos, desgastes e demais avarias que a máquina possa sofrer devido ao esforço excessivo em determinado eixo. Contudo, realizar essa medição em plena operação da máquina/sistema não é uma tarefa simples, devido principalmente à necessidade de se extrair informações sob eixo em rotação. Atualmente são utilizados sistemas de medição com elementos fixados ao eixo que necessitam de alimentação elétrica e também transmitir dados, seja por meio de anéis coletores, transformadores ou sistemas de telemetria. Assim, neste trabalho é proposto o uso de ímãs acoplados ao eixo e um sistema de medição de campo magnético com sensores de efeito hall. O movimento relativo entre os ímãs devido a deformação decorrente da torção, irão aumentar ou reduzir a intensidade do campo magnético. Ao medir a intensidade desse campo resultante, será possível determinar a deformação radial do eixo. O sistema de aquisição conta com interface computacional desenvolvida em Labview. Foram realizados ensaios estáticos e dinâmicos, em laboratório com o intuito de se validar a técnica desenvolvida e comparar o instrumento desenvolvido com técnicas já difundidas no ambiente industrial. Os resultados mostraram a eficiência da técnica e apontam para as aplicações deste torquímetro dinâmico por efeito Hall.

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