Bismuth ferrite (BFO) is a multiferroic material with cross-correlation between magnetic and electric orders. With no applied external fields the spin structure of BFO is anitferromagnetic and cycloidal. This ordering prevents the detection of the weak ferromagnetism known to exist in the material. The application of magnetic and electric fields of suitable strength and direction is capable of compelling the Fe3+ spins to align in a homogeneous, antiferromagnetic fashion. This report details how numerical methods were used to simulate the spin alignment of a BFO system under different fields. The results were compiled into electric field-magnetic field phase diagrams of BFO to show the divide between cycloidal and homogeneous systems. / Graduate / 0607 / 0611 / marca@uvic.ca

Depuis la découverte de la magnétorésistance (MR) géante en 1988 par le groupe d'Albert Fert (prix Nobel de physique en 2007), le domaine de l'électronique de spin a connu un essor sans précédent, justifié par toutes les applications qu'elle permet d'envisager en électronique.Depuis une vingtaine d'années, il est question d'utiliser le degré de liberté de spin directement dans les matériaux semi-conducteurs avec le gros avantage par rapport aux métaux de pouvoir manipuler électriquement le spin des porteurs. L'électronique de spin dans les matériaux semi-conducteurs utilise pour coder l'information non seulement la charge des porteurs (électrons et trous), mais aussi leur spin. En associant charge et spin, on ajoute de nouvelles fonctionnalités aux dispositifs de micro-électronique traditionnels.Le premier challenge consiste à contrôler l’injection et la détection d’une population de porteurs polarisés en spin dans les semi-conducteurs traditionnels (Si, Ge).Pour cela, nous avons étudié des dispositifs hybrides de type MIS: Métal ferromagnétique/Isolant/Semi-conducteur qui nous permettent d'injecter et de détecter électriquement un courant de spin. La première partie de cette thèse concerne les dispositifs à 3 terminaux sur différents substrats qui utilisent une unique électrode ferromagnétique pour injecter et détecter par effet Hanle l’accumulation de spin dans les semi-conducteurs. Une amplification des signaux de spin extraits expérimentalement par rapport aux valeurs théoriques du modèle diffusif est à l’origine d’une controverse importante. Nous avons alors démontré que l’origine du signal de MR ou de l’amplification ne peut être expliquée par la présence de défauts dans la barrière tunnel. A l’inverse, nous prouvons la présence d’états d’interface qui peuvent expliquer l’amplification du signal de spin. De plus, la réduction de la densité d’états d’interface par une préparation de surface montre des changements significatifs comme la diminution du signal de spin.La deuxième partie de ces travaux concerne la transition vers les vannes de spin latérales sur semi-conducteurs. Dans ces dispositifs utilisant deux électrodes FM, le découplage entre l’injection et la détection de spin permet de s’affranchir des effets de magnétorésistance parasites car seul un pur courant de spin est détecté dans le semi-conducteur. Par une croissance d’une jonction tunnel ferromagnétique épitaxiée, nous avons démontré l’injection de spin dans des substrats de silicium et germanium sur isolant. En particulier nous observons un fort signal de spin jusqu’à température ambiante dans le germanium.Finalement, les prémices de la manipulation de spin par l’étude du couplage spin-orbite ont été étudiées dans les substrats d’arséniure de gallium et de germanium. En effet, nous avons induit par effet Hall de spin (une conséquence du couplage spin-orbite) une accumulation de spin qui a été sondée en utilisant la spectroscopie de muon. On démontre alors, à basse température, la présence de l’accumulation grâce au couplage entre les spins électroniques accumulés et les noyaux de l’arséniure de gallium. / Since the discovery of the giant magnetoresistance in 1988 by the group of Albert Fert (Nobel Prize in 2007), the field of spintronics has been growing very fast due to its potential applications in micro-electronics.For almost 20 years, it has been proposed to introduce the spin degree of freedom directly in the semiconducting materials. Spintronics aims at using not only the charge of carriers (electrons and holes) but also their intrinsic spin degree of freedom. In that case, spins might be manipulated with electric fields. By using both charge and spin, one might add new functionalities to traditional micro-electronic devices.Indeed, the first challenge of semiconductor spintronics is to create and detect a spin polarized carrier population in traditional semiconductors like Si and Ge to further manipulate them.For this purpose, we have used hybrid ferromagnetic metal/insulator/semiconductor devices which allow us to perform electrical spin injection and detection. The first part of this thesis deals with 3 terminal devices grown on different substrates and in which a single ferromagnetic electrode is used to inject and detect spin polarized electrons using the Hanle effect. A spin signal amplification is measured experimentally as compared to the value from the theoretical diffusive model, this raised a controversy concerning 3 terminal measurements. We demonstrate that localized defects in the tunnel barrier cannot be at the origin of the measured MR signal and spin signal amplification. Instead, we show that the presence of interface states is the origin of the spin signal amplification in all the substrates. By using a proper surface preparation and the MBE growth of the magnetic tunnel junctions, we reduce the density of interface states and show a significant modification of the spin signals.In a second part, we present the transition from 3 terminal measurements to lateral spin valves on semiconductors. In the last configuration by using two ferromagnetic electrodes, charge and spin currents are decoupled in order to avoid any spurious magnetoresistance artefacts. Using epitaxially grown magnetic tunnel junctions we can prove the spin injection in silicon and germanium. Especially, we are able to measure non local spin signals in germanium up to room temperature.Finally, we study the spin Hall effect in gallium arsenide and germanium substrates. For this propose we induce spin accumulation using the spin Hall effect (i.e spin-orbit coupling) and probe it using muon spectroscopy. We demonstrate, at low temperature the presence of spin accumulation by the coupling between nuclear spins and the electron spin accumulation.

Submitted by Daniella Sodre (daniella.sodre@ufpe.br) on 2015-04-08T12:40:55Z No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Gabriel Fonseca.pdf: 3837074 bytes, checksum: e2c9b20882785e374170658d648ee389 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-08T12:40:55Z (GMT). No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Gabriel Fonseca.pdf: 3837074 bytes, checksum: e2c9b20882785e374170658d648ee389 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2014-03-10 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científi co e Tecnol ógico; Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Ní vel Superior; Financiadora de Estudos e Projetos; Fundação de Amparo a Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco. / In this master thesis we study experimentally the longitudinal spin Seebeck effect (LSSE) in bilayers made of a ferromagnetic insulator (FMI) and a metallic layer (M). We also present a theoretical model based on the spin current density ⃗ Js carried by a non-equilibrium magnon distribution, generated by a thermal gradient ∇T across the thickness of the FMI. When ⃗ Js reach the FMI/M interface it is pumped towards the M layer due to conservation of the angular momentum, so, the M layer is essential for the LSSE existence. Here the FMI consists of a Yttrium Iron Garnet (YIG) lm, grown over a Gadolinium Gallium Garnet (GGG) substrate. Different metallic materials were used as the M layer i.e. Pt and Ta that have normal behavior and Py that is a ferromagnetic metal (FMM). The experimental procedure consists of systematic measurements of the electric voltage VISHE, produced by ⃗ Js through the Inverse Spin Hall Effect (ISHE) in the normal metal or (FMM) layer. In YIG/Pt measurements were done in the temperature range from 20 to 300 K. The experimental data are tted to the proposed model for the LSSE and good agreement is obtained. The results shows that the Py and Ta can be used to detect the LSSE with the ISHE. The results of this master thesis have strong interest in the area of spin caloritronics helping to the development of the eld and to raise possibilities of new spintronic devices. ----- Nesta diserta ção e estudado experimentalmente o Efeito Seebeck de Spin Longi- tudinal (LSSE), em bicamadas formadas por um isolante ferromagn etico (FMI) e um lme metalico (M). Tamb em foi desenvolvido um modelo te orico baseado na den- sidade de corrente de spin ⃗ Js que existe quando uma distribui c~ao de m agnons fora do equil brio e gerada por um gradiente t ermico ∇T aplicado na sec ção transversal do FMI. Quando ⃗ Js chega na interface FMI/M e bombeada para a camada M satis- fazendo a conserva ção do momentum angular, assim que a camada NM e essencial para ter um LSSE. Como camada FMI foi utilizada a granada de trio e ferro (YIG) crescida num substrato de (GGG). Diferentes materiais metalicos foram utilizados como camada M, sendo Pt e Ta paramagn eticos e o Py ferromagnetico. O proced- imento experimental consiste na medi c~ao sistem atica da voltagem el etrica VISHE, que e produzida por ⃗ Js por meio do efeito Hall de spin inverso (ISHE) que ocorre na camada M. As medidas em YIG/Pt foram feitas numa faixa ampla de temperatura de 20 a 300 K. Os dados experimentais são fi tados com a teoria proposta para o LSSE encontrando-se boa concordância. Nossos resultados mostram que o Py e o Ta s~ao bons candidatos para detec ção do LSSE. Esta disserta ção e de grande interesse na area da caloritrônica de spin, ajudando no desenvolvimento deste campo e na concep ção de novos dispositivos tecnol ogicos baseados na spintrônica.

Cette thèse est consacrée aux recherches des propriétés statiques et dynamiques des parois de domaines magnétiques (DW pour Domain Wall) dans les nanofils CoFeB. Un système de mesure basé sur un microscope Kerr à haute résolution a été mis en place et utilisé pour ces recherches.Tout d'abord, les phénomènes liés à la tension interfaciale des parois ont été étudiés. La contraction spontanée des bulles de domaine a été observée directement en utilisant le microscope Kerr. Ce phénomène a été expliqué en utilisant le concept de la pression de Laplace due à l'énergie interfaciale des parois. L'énergie interfaciale des parois a été quantifiée en mesurant le champ externe nécessaire pour stabiliser ces bulles. Le mécanisme de la piégeage et de la dépiégeage des parois dans certaines géométries artificielles, comme la croix de Hall ou l'entrée reliant un carré de nucléation et un fil, a été expliqué en utilisant le concept de tension interfaciale des parois et a été utilisé pour extraire l'énergie interfaciale des parois. Bénéficiant de ces études, une méthode permettant de quantifier directement le coefficient des Interactions de Dzyaloshinskii- Moriya (DMI pour Dzyaloshinskii- Moriya Interaction) à l'aide du microscope Kerr a été proposée. En outre, un nouveau type de capteur magnétique basé sur l'expansion réversible de paroi en raison de la tension interfaciale a été proposé et vérifié en utilisant des simulations micromagnétiques.Deuxièmement, les propriétés dynamiques des parois dans le film et les fils Ta / CoFeB / MgO ont été étudiées. La vitesse du propagation des parois induite par le champ magnétique ou par l'effet combiné des impulsions de champ magnétique synchronisées et des impulsions de courant électrique a été mesurée. En régime précessionne, la vitesse du mouvement DW induite par l'effet combiné du champ et du courant est égale à la superposition des vitesses entraînées par le champ ou le courant indépendamment. Ce résultat nous a permis d'extraire la polarisation de spin de CoFeB dans cette structure. Les effets de piégeage du mouvement des parois dans les fils étroits ont été étudiés. Des champs de dépiégeage associés aux gros défauts pour le mouvement des parois induit par champ dans les nanofils a été mesurée. Il a été constaté que les effets de piégeage deviennent plus sévères lorsque la largeur w des fils diminue. Une relation linéaire entre le champ de piégeage et 1/w a été trouvée. L'origine de ces sites d'ancrage durs ainsi que leurs influences sur la vitesse de mouvement des parois ont été discutées. En outre, il a été constaté que l'effet d'épinglage était amélioré lorsque le courant était appliqué, quelle que soit la direction relative entre le mouvement des parois et le courant. Cet accroissement pourrait être expliqué par l'effet du courant de Hall de spin de la sous-couche (Ta). Bien qu'il n'y ait pas eu de DMI ou de champ planaire, le courant de Hall de spin, polarisé dans la direction transversale, peut exercer un couple sur la parois de type de Bloch, une fois que la paroi s'éloigne de la direction transversale.Enfin, un dispositif mémoire de circuit en forme d'anneau basée sur le travail combiné de STT et SOT a été proposée. Comparée à la mémoire de piste traditionnelle en forme de ligne, cette mémoire en forme d'anneau permet au paroi de demaine de se déplacer dans un nanofil en forme d'anneau sans être éjecté, évitant ainsi la perte des informations associées. Le travail de conception et d'optimisation a été réalisé avec des simulations micromagnétiques. / This thesis is dedicated to the research of the static and dynamic properties of magnetic Domain Walls (DWs) in CoFeB nanowires. A measurement system based on a high-resolution Kerr microscope was implemented and used for these research.First, phenomena related to the DW surface tension was studied. A spontaneous collapse of domain bubbles was directly observed using the Kerr microscope. This phenomenon was explained using the concept of the Laplace pressure due to the DW surface energy. The surface energy of DW was quantified by measuring the external field required to stabilize these bubbles. The DW pinning and depinning mechanism in some artificial geometries, such as the Hall cross or the entrance connecting a nucleation pad and a wire, was explained using the concept of DW surface tension and was used to extract the DW surface energy. Benefited from these studies, a method to directly quantify the coefficient of Dzyaloshinskii- Moriya Interactions (DMI) using Kerr microscope has been proposed. In addition, a new type of magnetic sensor based on the revisable expansion of DW due to DW surface tension was proposed and verified using micromagnetic simulations.Second, the dynamic properties of DWs in Ta/CoFeB/MgO film and wires were studied. The velocity of DW motion induced by magnetic fields or by the combined effect of synchronized magnetic field pulses and electrical current pulses was measured. In steady flow regime, the velocity of DW motion induced by the combined effect of the field and the current equals to the superposition of the velocities driven by field or current independently. This result allowed us to extract the spin-polarization of CoFeB in this structure. Pinning effects of DW motion in narrow wires was studied. Depinning fields of hard pinning sites for the field-driven DW motion in nanowires was measured. It was found that the pinning effects become severer as the width w of the wires scaled down. A linear relationship between the depinning field and w was found. The origin of these hard pinning sites, as well as their influences on the DW motion velocity, was discussed. Furthermore, it was found that the pinning effect was enhanced when a current was applied, no matter the relative direction between the DW motion and the current. We propose a possible explanation, which would be an effect of the spin Hall current from the sublayer (Ta). Although there was no DMI or in-plane field, the spin Hall current, which was polarized in the transverse direction, can still exert a torque on the Bloch DW, once the DW tilts away from the transverse direction.At last, a ring-shaped racetrack memory based on the combined work of STT and has been proposed. Compared with the traditional line-shaped racetrack memory, this ring-shaped memory allows the DW moving in a ring-shaped nanowire and the data dropout problem can be avoided. The design and optimization work was performed with micromagnetic simulations.

La spintronique classique utilise généralement des matériaux magnétiques pour produire un courant de spin à partir d’un courant de charge. Un autre moyen, plus récemment étudié, consiste à utiliser le couplage spin-orbite (SOC). Il permet de produire un courant de spin pur selon une direction transverse au courant de charge en tenant compte des principes de la mécanique quantique relativiste. Dans les matériaux à fort couplage spin-orbite, les courants de spin ainsi produits sont suffisamment importants pour imaginer les utiliser pour la commutation magnétique dans les dispositifs spintroniques. Le couplage spin-orbite, correspondant à une correction relativiste dans les équations du mouvement de l’électron, particule de spin 1/2, peut être grand dans des matériaux contenant des atomes lourds. Cela signifie qu’une conversion du courant de charge en courant de spin peut être obtenue en utilisant les propriétés de systèmes à fort SOC tel que le platine (Pt), le tungstène (W) ou le tantale (Ta), par exemple. Depuis peu, des systèmes électroniques bidimensionnels (2DEG), obtenus au niveau d’interfaces ou de surfaces particulières, ont démontré des propriétés permettant des effets d’inter-conversion particulièrement efficaces. En particulier des états Rashba ou des systèmes d’isolants topologiques, suscitent actuellement un fort engouement dans la communauté de la spintronique pour cette faculté d’inter-conversion spin-charge.Dans ce cadre particulier, depuis une dizaine d’années, les isolants topologiques ont été étudiés pour leurs propriétés électroniques non conventionnelles qui prennent racine dans la définition théorique de l’effet Hall quantique entier donnée par Thouless, ainsi que dans les travaux de Haldane dans le graphène et de Kane dans des systèmes semi-conducteurs à faible bande interdite pourvus d’un SOC fort. Ces systèmes 2D présentent des propriétés électriques intrigantes : ils sont isolants en volume et conducteurs en surface. Ces états de conductions sont pourvus d’une dispersion linéaire en énergie en fonction du vecteur d’onde k, comme dans le cas du graphène, avec une hélicité en spin déterminée.De nombreuses questions restent néanmoins ouvertes quant à la compréhension des mécanismes à l’origine de ces états de conduction en surface, mais également quant à la manière la plus simple de détecter ces états topologiques. En vue de leur intégration dans des dispositifs spintroniques et de la réalisation d’interface TI/Matériaux ferromagnétiques un certain nombre de questions se posent : comment préserver la nature des états topologiques à l’interface ? Quels matériaux utiliser et quelle est la nature atomique de l’interface (diffusion atomique) ? Quels sont les échanges électroniques à l’interface ? Etc.L’une des applications utilisant les propriétés des isolants topologiques, est d’utiliser les propriétés de conversion du courant de charge en courant de spin (et vice versa) afin de modifier ou commuter l’aimantation d’un élément ou mémoire ferromagnétique déposé directement (ou séparé par une couche tampon) sur le matériau topologique lui-même. Un tel système de bicouches ou multi-couches devrait être capable de s’intégrer dans une mémoire vive magnétique (MRAM) ou d’accroître le potentiel des disques électroniques (SSD) en raison du caractère permanent et non volatile de l’état d’aimantation du matériau. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse. / Conventional spintronics generally uses magnetic materials to produce a spin current from a current of charge. Another means, more recently studied, is the use of spin-orbit coupling (SOC). It makes possible to produce a pure current of spin in a direction transverse to the charge current, taking into account the principles of relativistic quantum mechanics. In materials with strong spin-orbit coupling, the spin currents are large enough to imagine using them for magnetic switching in spintronic devices. The spin-orbit coupling, corresponding to a relativistic correction in the equations of motion of the electron, a spin 1/2 particle, can be large in materials containing heavy atoms. This means that a conversion from charge current to spin current can be obtained using the properties of SOC systems such as platinum (Pt), tungsten(W) or tantalum (Ta) for example. Recently 2 dimensionnal electronic gas (2DEG), obtained at particular interfaces or surfaces, have demonstrated properties allowing particularly effective inter-conversion effects. In particular Rashba states or topological insulator systems, are currently arousing a strong interest in the spintronics community for this faculty of spin-charge conversion.In this particular context, over the last ten years or so, topological insulators have been studied for their electronic properties which are rooted in the theoretical definition of the integer quantum Hall effect given by Thouless, as well as in the work of Haldane in graphene and Kane in low bandgap semiconductor systems with a strong SOC. These systems have intriguing electrical properties: they are insulating in volume and conductive on the surfaces. These conductivity states have a linear energy dispersion as a function of the k-wave vector, as in the case of the graphene, with a determined spin helicity.Nevertheless, many questions remain open as the understanding of the mechanisms at the origin of these states of surface conduction, but also as to the simplest way to detect these topological states. In order to integrate in spintronic devices and to realize TI/Ferromagnetic materials interface, a number of questions arise: how to preserve the nature of the topological states at the interface? What materials should be used and what is the atomic nature of the interface (inter-mixing) ? What are the electronic exchanges at the interface? Etc.One of the applications using the properties of topological insulators, is to use the conversion properties of the charge current to spin current in order to modify or switch the magnetization of a ferromagnetic element or memory deposited directly (or separated by a buffer layer) on the topological material itself. Such a two-layer system or multilayer should be capable of integration into a magnetic random access memory (MRAM) or of increasing the potential of disks (SSD) due to the permanent and non-volatile nature of the magnetisation state of the material. This is framework of this thesis.

Carrier, spin, charge current, and spin current injection by one- and two-color optical schemes are investigated within 30-band k·p theory. Parameters of the band model are optimized to give full-Brillouin zone band structures for GaAs and Ge that give accurate Γ-point effective masses and gyromagnetic factors and give access to the L valley, and to the E₁ and E₁+Δ₁ critical points in the linear optical absorption. Calculations of one- and two-photon carrier and spin injection and two-color current injection are performed for excitation energies in the range of 0—4 eV in GaAs and 0—3.5 eV in Ge. Significant spin and spin current injection occurs with 30% spin polarization in GaAs and Ge at photon energy matching the E₁ critical point. Further, the anisotropy and disparity of the current injection between parallel and perpendicular linearly-polarized beam configurations are calculated. For light propagating along a <111> crystal axis, anisotropic contributions in coherent current control and two-photon spin injection give rise to normal current components and in-plane spin components. In Ge, contributions from the holes to spin, electrical current, and spin current injection are investigated. Optical orientation results in 83% spin-polarized holes at the band edge. The effects of carrier dynamics in Ge are treated within a rate-equation model. The detection of spin dynamics in a pump-probe setup is considered, and the Fermi-factor approach is justified for electrons but not for holes. Carrier and current injection are further investigated in single-layer and bilayer graphene within the tight-binding model. In single-layer graphene, the linear-circular dichroism in two-photon absorption yields an absorption coefficient that is twice as large for circularly polarized light compared to linearly polarized light. Coherent current injection is largest for co-circularly polarized beams and zero for cross-circularly polarized beams. For linearly polarized beams, the magnitude of the injected current is independent of beam polarizations. In contrast, the injected current in bilayer graphene shows disparity between parallel and perpendicular configurations of the beams. The resulting angular dependence of the current is a macroscopic, measurable consequence of interlayer coupling in the bilayer.

Carrier, spin, charge current, and spin current injection by one- and two-color optical schemes are investigated within 30-band k·p theory. Parameters of the band model are optimized to give full-Brillouin zone band structures for GaAs and Ge that give accurate Γ-point effective masses and gyromagnetic factors and give access to the L valley, and to the E₁ and E₁+Δ₁ critical points in the linear optical absorption. Calculations of one- and two-photon carrier and spin injection and two-color current injection are performed for excitation energies in the range of 0—4 eV in GaAs and 0—3.5 eV in Ge. Significant spin and spin current injection occurs with 30% spin polarization in GaAs and Ge at photon energy matching the E₁ critical point. Further, the anisotropy and disparity of the current injection between parallel and perpendicular linearly-polarized beam configurations are calculated. For light propagating along a <111> crystal axis, anisotropic contributions in coherent current control and two-photon spin injection give rise to normal current components and in-plane spin components. In Ge, contributions from the holes to spin, electrical current, and spin current injection are investigated. Optical orientation results in 83% spin-polarized holes at the band edge. The effects of carrier dynamics in Ge are treated within a rate-equation model. The detection of spin dynamics in a pump-probe setup is considered, and the Fermi-factor approach is justified for electrons but not for holes. Carrier and current injection are further investigated in single-layer and bilayer graphene within the tight-binding model. In single-layer graphene, the linear-circular dichroism in two-photon absorption yields an absorption coefficient that is twice as large for circularly polarized light compared to linearly polarized light. Coherent current injection is largest for co-circularly polarized beams and zero for cross-circularly polarized beams. For linearly polarized beams, the magnitude of the injected current is independent of beam polarizations. In contrast, the injected current in bilayer graphene shows disparity between parallel and perpendicular configurations of the beams. The resulting angular dependence of the current is a macroscopic, measurable consequence of interlayer coupling in the bilayer.

Dans cette thèse, on s’intéresse à l'étude théorique et à la simulation numérique de la dynamique de charges et de spins dans des nano-structures métalliques. Ces dernières années la physique des nano-structures métalliques à connu un intérêt croissant, aussi bien d'un point de vue de la physique fondamental que d'un point de vue des applications technologiques. Il est donc essentiel d'avoir des modèles théoriques nous permettant de décrire correctement ce type d'objets. Cette thèse comporte deux études distinctes. Dans un premier temps on utilise un modèle semi-classique dans l'espace des phases afin d'étudier la dynamique de charges et de spins dans des films ferromagnétiques(Nickel). On décrit dans le même modèle le magnétisme itinérant et le magnétisme localisé. On montre qu'il est possible, en excitant le système avec un laser pulsé femtoseconde dans le domaine du visible, de créer un courant de spin oscillant dans la direction normal du film sur des temps ultrarapides(femtoseconde). Dans un second temps on s’intéresse à la dynamique de charge d'électrons confinés dans des nano-particules d'Or ou bien encore par des potentiels anisotropes. On montre que de telles systèmes sont des candidats intéressant pour faire de la génération d'harmoniques. / In this thesis we focus on the theoritical description and on the numerical simulation of the charge and spin dynamics in metallic nano-structures. The physics of metallic nano-structures has stimulated a huge amount of scientific interest in the last two decades, both for fundamental research and for potential technological applications. The thesis is divided in two parts. In the first part we use a semiclassical phase-space model to study the ultrafast charge and spin dynamics in thin ferromagnetic films (Nickel). Both itinerant and localized magnetism are taken into account. It is shown that an oscillating spin current can be generated in the film via the application of a femtosecond laser pulse in the visible range. In the second part we focus on the charge dynamics of electrons confined in metallic nano-particles (Gold) or anisotropic wells. We show that such systems can be used for high harmonic generation.

This thesis experimentally demonstrates four approaches of frequency control of magnetic auto-oscillations in spin Hall nano-oscillators (SHNOs). The frequency can be changed in the GHZ-range by external magnetic fields as shown in this work. This approach uses large electromagnets, which is inconvenient for future applications. The nonlinear coupling between oscillator power and frequency can be used to control the latter one by changing the applied direct current to the SHNO. The frequency can be controlled over a range of several 100 MHz as demonstrated in this thesis. The first part of the experimental chapter demonstrates the synchronization (injection-locking) between magnetic auto-oscillations and an external microwave excitation. The additionally applied microwave current generates a modulation of the effective magnetic field, which causes the interaction with the auto-oscillation. Both synchronize over a range of several 100 MHz. In this range, the auto-oscillation frequency can be controlled by the external stimulus. An increase of power and a decrease of line width is achieved in the synchronization range. This is explained by the increased coherence of the auto-oscillations. A second approach is the synchronization of auto-oscillations to an alternating magnetic field. This field is generated by a freestanding antenna, which is positioned above the SHNO. The second part of the experimental chapter introduces a bipolar concept of SHNOs and its experimental demonstration. In contrast to conventional SHNOs, bipolar SHNOs generate auto-oscillations for both direct current polarities and both directions of the external magnetic field. This is achieved by combining two ferromagnetic layers in an SHNO. The combination of two different ferromagnetic materials is used to switch between two frequency ranges in dependence of the direct current polarity since it defines the layer showing auto-oscillations. This approach can be used to change the frequency in the GHz-range by switching the direct current polarity. / Diese Arbeit demonstriert experimentell vier verschiedene Methoden der Frequenzkontrolle magnetischer Auto-Oszillationen in Spin Hall Nano-Oszillatoren (SHNOs). Durch externe magnetische Felder kann die Frequenz im GHz-Bereich geändert werden, wie es in dieser Arbeit gezeigt wird. Dies erfordert jedoch große Elektromagneten, deren Nutzung für zukünftige Anwendungen der SHNOs nicht geeignet sind. Aufgrund der nichtlinearen Kopplung zwischen Oszillatorleistung und Oszillatorfrequenz, lässt sich letztere durch den Versorgungsstrom beeinflussen. Dies ist typischerweise in einem Bereich von mehreren 100 MHz möglich, wie es an mehreren Stellen dieser Arbeit gezeigt wird. Im ersten Abschnitt des Ergebnisteils wird die Synchronisation der magnetischen Auto-Oszillationen zu einer externen Mikrowellenanregung demonstriert. Der zusätzlich eingespeiste Mikrowellenstrom erzeugt eine Modulation des effektiven Magnetfelds, was zur Wechselwirkung mit den Auto-Oszillationen führt. Diese synchronisieren über eine Frequenzdifferenz von mehreren 100 MHz. In diesem Bereich lässt sich die Frequenz der Auto-Oszillation mit der äußeren Frequenz steuern. Innerhalb des Synchronisationsbereichs wird außerdem eine Erhöhung der Leistung und eine Verringerung der Linienbreite der Auto-Oszillationen festgestellt. Dies wird mit einer Erhöhung der Kohärenz der Auto-Oszillationen erklärt. Neben der zusätzlichen Einspeisung eines Mikrowellenstroms können die Auto-Oszillationen auch zu einem magnetischen Wechselfeld synchronisieren, welches von einer frei beweglichen Antenne erzeugt wird, die über dem SHNO positioniert wird. Im zweiten Abschnitt des Ergebnisteils wird ein bipolares Konzept eines SHNO vorgestellt und seine Funktionsfähigkeit experimentell nachgewiesen. Im Vergleich zu konventionellen SHNOs erzeugen bipolare SHNOs Auto-Oszillationen für beide Polaritäten des elektrischen Versorgungsstroms und beide Richtungen des externen Magnetfelds. Dies wird durch die Kombination zweier ferromagnetischer Lagen in einem SHNO erreicht. Die Kombination unterschiedlicher ferromagnetischer Materialien kann genutzt werden, um die Mikrowellenfrequenz in Abhängigkeit der Stromrichtung zu ändern, da diese bestimmt in welcher Lage die Auto-Oszillationen erzeugt werden können. Durch eine geeignete Materialkombination kann die Frequenz im GHz-Bereich geändert werden, wenn die Strompolarität umgekehrt wird.

Neuromorphic computing applications could be made faster and more power efficient by emulating the function of a biological synapse. Non-conventional spintronic devices have been proposed that demonstrate synaptic behavior through domain wall (DW) driving. In this work, current induced domain wall motion has been studied through micromagnetic simulations. We investigate the synaptic behavior of a head to head domain wall driven by a spin polarized current in permalloy (Py) nanostrips with shape anisotropy, where triangular notches have been modeled to account for edge roughness and provide pinning sites for the domain wall. We seek optimal material parameters to keep the critical current density for driving the domain wall at order 1011 A/m2.