This thesis reports on results in the fields of experimental spin- and general wave dynamics.

Ce manuscrit présente une étude sur les ondes de spin de vecteur d'onde nul par le moyen de la rotation Kerr résolue en temps. Les ondes de spin sont générées dans un puits quantique CdMnTe dopé n, ce qui introduit de la complexité dans le système. Le résultat principal de cette étude est l'apparition d'un anticroisement de mode d'excitation du gaz d'électron appelé onde de spin et du mode d'excitation des spins localisés sur les sites des ions magnétiques. Cet effet est provoqué par le couplage des deux systèmes de spin par l'interaction d'échange. On accède alors à la mesure de la polarisation du gaz bidimensionnel d'électrons qui ce compare très bien à la théorie tenant compte de l'augmentation de la polarisation par les effets à N-corps. Une partie de ce manuscrit est consacré à la mise en place expérimentale de la rotation Kerr résolue en temps. On étudie ensuite l'onde de spin pour les champs magnétiques hors résonance. On montre que le temps de relaxation de l'onde n'est pas encore complètement compris, même si nous décrivons un modèle de relaxation inhomogène. Puis nous étudions finalement la résonance où nous montrons que la description habituelle en champs moyen ne convient pas, et nous proposons un modèle au delà de cette approximation qui permet une mesure de la polarisation du gaz bidimensionnel d'électrons en accord avec la théorie. / This manuscript present a study of nul wave vector spin flip waves by time resolved Kerr rotation. Spin flip waves are generated in a n doped CdMnTe quantum well, increasing the complexity of the system. The main result of this study is the apparition of an anticrossing between the excitation mode of the electron gaz called spin flip wave and the excitation mode of localized spin on magnetic ions. This effect is caused by the coupling of the two spin sytem by the exchange interaction. We acces then to the gaz spin polarization which is compared to theorie explaining the enhancement of the polarization by many-body effects. A part of this manuscript is dedicated to the experimental set-up of the time resolved Kerr rotation. Next, we study the spin flip wave for magnetic field below the resonance. We show that the relaxation time of the spin wave is not well understand even if we describe a model of inhomogeneous relaxation. Finally we study the resonance and we show that the mean field description don't work and we propose a model beyond the mean field which allow a measurement of the spin polarization of electron gas in agreement with the theorie.

Thesis advisor: Kevin S. Bedell / Landau Fermi-liquid theory was first introduced by L. D. Landau in the effort of understanding the normal state of Fermi systems, where the application of the concept of elementary excitations to the Fermi systems has proved very fruitful in clarifying the physics of strongly correlated quantum systems at low temperatures. In this thesis, I use Landau Fermi-liquid theory to study the transport phenomena of two different correlated quantum liquids: the strongly interacting ultracold Fermi gases and the ferromagnet/normal metal (F/N) junctions. The detailed work is presented in chapter II and chapter III of this thesis, respectively. Chapter I holds the introductory part and the background knowledge of this thesis. In chapter II, I study the transport properties of a Fermi gas with strong attractive interactions close to the unitary limit. In particular, I compute the transport lifetimes of the Fermi gas due to superfluid fluctuations above the BCS transition temperature Tc. To calculate the transport lifetimes I need the scattering amplitudes. The scattering amplitudes are dominated by the superfluid fluctuations at temperatures just above Tc. The normal scattering amplitudes are calculated from the Landau parameters. These Landau parameters are obtained from the local version of the induced interaction model for computing Landau parameters. I also calculate the leading order finite temperature corrections to the various transport lifetimes. A calculation of the spin diffusion coefficient is presented in comparison to the experimental findings. Upon choosing a proper value of F0a, I am able to present a good match between the theoretical result and the experimental measurement, which indicates the presence of the superfluid fluctuations near Tc. Calculations of the viscosity, the viscosity/entropy ratio and the thermal conductivity are also shown in support of the appearance of the superfluid fluctuations. In chapter III, I study the spin transport in the low temperature regime (often referred to as the precession-dominated regime) between a ferromagnetic Fermi liquid (FFL) and a normal metal metallic Fermi liquid (NFL), also known as the (F/N) junction, which is considered as one of the most basic spintronic devices. In particular, I explore the propagation of spin waves and transport of magnetization through the interface of the F/N junction where nonequilibrium spin polarization is created on the normal metal side of the junction by electrical spin injection. I calculate the probable spin wave modes in the precession-dominated regime on both sides of the junction especially on the NFL side where the system is out of equilibrium. Proper boundary conditions at the interface are introduced to establish the transport of the spin properties through the F/N junction. A possible transmission conduction electron spin resonance (CESR) experiment is suggested on the F/N junction to see if the predicted spin wave modes could indeed propagate through the junction. Potential applications based on this novel spin transport feature of the F/N junction are proposed in the end. / Thesis (PhD) — Boston College, 2016. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Physics.

I have measured the magnetic and transport properties of Fe and Co in the variable SDW host, CrMo. Analyzing the behaviour of the Neel temperature shows that Co interacts with the SDW, almost an order of magnitude more strongly than does Fe. Also that it magnetically polarizes the SDW more strongly than Fe. Resistivity measurements show that Co reduces the nesting area of the Fermi surface while Fe increases it. Overall, the Neel temperature is strongly reduced by Fe and much less reduced by Co. / Magnetic susceptibility measurements show that Fe supports an effective magnetic moment below T(,N) while Co does not. However, as suggested by Friedel, only nearest neighbour Fe pairs contribute to the effective Fe moment, while isolated Fe moments, like Co, are locked into the SDW antiferromagnetism. / In the absence of SDW formation, the strong interaction between Co and the CrMo host leads to a Kondo state, while the smaller interaction with Fe allows the onset of spin glass ordering.

Thesis (Ph. D.)--Florida State University, 2004. / Advisor: Dr. Jorge Piekarewicz, Florida State University, College of Arts and Sciences, Dept. of Physics. Title and description from dissertation home page (Jan. 19, 2005). Includes bibliographical references.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:14:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DoryHALA_DISSERT.pdf: 3442484 bytes, checksum: 67a31f75457a130c91557603aba2fbbc (MD5) Previous issue date: 1995-06-16 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Apresentamos o espectro te?rico das ondas de spin em uma super-rede onde ambos os materiais s?o ferromagn?ticos de Heisenberg. Consideraremos o caso geral em que eles podem apresentar as componentes uniaxial e n?o-uniaxial do campo de anisotropia, enfatizando a contribui??o dos modos de superf?cie, bem como os de volume. Uma componente n?o-uniaxial ( easy plane ) da anisotropia existe em muitos materiais, tais como o ferromagneto CrBr? e o antiferromagneto NiO. Em certos casos a anisotropia pode ser n?o-uniaxial somente na superf?cie (por exemplo, em filmes monocristalinos de Fe). Nossa teoria engloba todos estes casos. Nossos c?lculos s?o feitos para o regime de troca ( exchange ) usando o Hamiltoniano de Heisenberg para descrever o sistema. Usamos o formalismo da matriz transfer?ncia para simplificar a ?lgebra, que de outra forma seria mais complexa. Resultados num?ricos mostram que os efeitos n?o-uniaxiais s?o mais fortes para pequenos kxa, onde kx ? o vetor de onda planar e a ? o par?metro de rede. Tamb?m verificamos a exist?ncia de gaps de frequ?ncia onde n?o existem modos de volume. A localiza??o e largura destes gaps s?o influenciados pela anisotropia n?o-uniaxial. Um caso especial de super-rede feita de um material uniaxial suportado por um n?o-uniaxial ? tamb?m considerado com datalhes, com seu espectro de ondas de spin apresentado e discutido. Acreditamos que com o recente desenvolvimento de super-redes magn?ticas de boa qualidade, possa ser poss?vel provar-se experimentalmente o espectro das ondas de inspin nestas estruturas, a fim de testar nossas predi??es te?ricas. Al?m disso, se os constituintes da super-rede s?o feitos de materiais magn?ticos isolantes ou semicondutores, a grande vetores de onda da excita??o os efeitos de troca s?o dominantes e o sistema pode ser melhor descrito usando-se o modelo de Heisenberg, empregado neste trabalho

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Todo dia novas invenÃÃes tecnolÃgicas surgem no mundo, melhorando a vida da sociedade como um todo. Para que os novos dispositivos estejam cada vez mais evoluindo, a ciÃncia tambÃm precisa estar evoluindo. Dentro da ciÃncia, um assunto que ganha destaque sÃo as propriedades magnÃticas dos materiais, tais quais materiais ferromagnÃticos. A partir do estudo de materiais magnÃticos foi possÃvel a fabricaÃÃo de dispositivos como o HD de computadores. Nos sistemas ferromagnÃticos os spins vizinhos estÃo acoplados uns aos outros por meio da interaÃÃo de troca, possuindo modos coletivos chamados de ondas de spin. Para entender as propriedades de ondas de spin utiliza-se o modelo de Heisenberg, que considera o termo de troca, juntamente com o efeito Zeeman. Nesta dissertaÃÃo utilizamos o modelo de Heisenberg para ondas de spins para algumas redes. O estudo para uma rede de duas camadas onde uma à deslocada em relaÃÃo à outra foi realizado, observando que o comportamento para uma rede deslocada para a esquerda e uma rede igualmente deslocada para a direita à o mesmo. Motivados pelo formato helicoidal da molÃcula de RNA, estudamos uma rede ao redor de um cilindro. O caso onde a rede à disposta simetricamente à encontrado degenerescÃncia, que pode ser desfeita alterando a configuraÃÃo da rede de modo que nÃo haja mais simetria. / Everyday new technological inventions arrives in the world, improving the life of the society as one. For new devices to have improvements, science needs to be improved too. Within science, a subject that stands out is the magnetism properties of the materials, like ferromagnetic materials. Due to the studies about the magnetism properties of the materials become possible the criation of computer hard drive. In this dissertation, we use the Heisenberg model to better understand the spin waves, which commonly appear in magnetic materials. This model considers the exchange interation of spins, together with the Zeeman effect. In this dissertation we use the eisenberg model for spin waves applied to some networks. The study for a two layer network where one of them is displaced in relation to the other was done. The behavior for a network displaced to the left and a network equally dislocated to the right is the same. Due to the helical structure of an RNA molecule we study the Heisenberg model in a network around a cylinder. For this network, we found that case where the network is symmetrically displaced is degenerate, which can be broke by changing the network configuration, so there is no symmetry in the system.

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier les possibilités d’excitation, de propagation et de détection d’ondes de spin dans des couches ultraminces de Y₃Fe₅O₁₂(YIG). Pour ce faire, nous proposons d’accéder à la dynamique d’aimantation du YIG à travers l’exploitation de phénomènes de transport électronique polarisé en spin liés aux effets Hall de spin (SHE) existant au sein de métaux normaux (MN) présentant un fort couplage spin-orbite.Nous avons pour cela fait croître, par ablation laser pulsée, des films de YIG épitaxiés d’épaisseur nanométrique. En effet, le fait de pouvoir disposer de films magnétiques ultraminces est nécessaire pour ouvrir le champ d’étude du YIG à la lithographie et aux techniques de micro-fabrications de la micro-électronique en vue notamment d’applications magnoniques.L’étude de la dynamique d’aimantation de ces couches magnétiques par résonance ferromagnétique (FMR) nous a permis de quantifier la constante d’amortissement magnétique de Gilbert pour ces films. Pour les meilleurs films ayant une épaisseur de 20 nm celle-ci est de de 2*10^-4, soit une valeur comparable avec celle des films de YIG d’épaisseur micrométrique obtenus par la technique standard d’épitaxie en phase liquide et seulement un ordre de grandeur supérieure à l’amortissement du YIG massif (a=3*10^-5). Nous avons pu montrer par des mesures inductives à l’analyseur de réseau que les ondes de spin pouvaient se propager dans de tels films sur plusieurs centaines de microns, ce résultat valide la pertinence de l’emploi de couches de YIG de 20 nm d’épaisseur pour des applications magnoniques.Afin de procéder à des mesures de détection/excitation d’ondes de spin par exploitation du SHE, nous avons déposé différents métaux (Pt, Pd, CuBi) sur nos films de YIG, formant ainsi des bicouches YIG|MN. Nous avons mis en évidence la détection non locale d’ondes de spin due aux phénomènes d’effet Hall de spin inverse dans le MN et de pompage de spin dont nous avons caractérisé le paramètre de mixing conductance g à partir d’analyse de résonance ferromagnétique.Afin d’apporter un élément de réponse sur l’origine d’effets de la magnétorésistance observés dans des bicouches YIG|MN, origine intrinsèque ou extrinsèque (induite par une polarisation magnétique du MN), nous avons effectué des mesures de dichroïsme magnétique circulaire de rayons X au niveau du seuil K du Pd dans des bicouches YIG|Pd. Ces mesures indiquent l’absence de moments magnétiques induits par le YIG dans le Pd avec un seuil de détection estimé à 10^-5µB/atome. Ce résultat, associé à des mesures de magnétotransport réalisées sur les mêmes échantillons, nous a permis de montrer que le pompage de spin entre un isolant ferromagnétique et un métal non magnétique, permettait seul (sans effets de proximité magnétique) d’expliquer les effets de magnétorésistance d’effet Hall de spin observés dans ces bicouches.Nous avons étudié la dynamique d’aimantation de nanodisques de YIG et YIG|MN par microscopie à force de résonance magnétique. Cette étude a permis de montrer que la nanostructuration de ces films ne dégrade pas les paramètres a et g et permet même, grâce au confinement géométrique des modes propres de résonance, d’annuler la contribution inhomogène (DH0) à largeur de raie.Finalement, à partir de l’injection dans le MN d’un courant électrique continu, nous avons mis en évidence la possibilité de modifier (augmenter/diminuer) la largeur de raie du mode FMR d’un microdisque de YIG|MN, exploitant ainsi le couple de transfert de spin d’un courant de spin créé dans le MN par effet de Hall de spin direct. Passé une valeur critique de courant, nous avons pu activer (en l’absence d’excitation RF) un régime d’auto oscillations de l’aimantation du YIG. Ce dernier résultat qui confirme la possibilité d’exciter la dynamique d’aimantation dans le YIG par un couple de transfert de spin est très prometteur pour l’intégration des dispositifs magnoniques au sein de circuits électroniques. / The aim of this thesis is to study the excitation, the propagation and the detection of spin waves into ultrathin Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) films. Our approach consists in interacting with the YIG magnetization dynamics thanks to spin polarized electronic transport phenomena related to spin Hall effect (SHE) that occurs within normal metals (NM) which have a large spin orbit coupling.To do so, we first grew epitaxially, by pulsed laser deposition, nanometer thick YIG films. Having ultrathin magnetic films is indeed necessary to be able to use lithography and microfabrication technics in order to develop magnonic devices.Studying these films by ferromagnetic resonance (FMR) allowed us to quantify the Gilbert magnetic damping constant, which is down to 2∙〖10〗^(-4) for the best 20 nm thick films. This value is comparable to which is reported for micrometer thick YIG films grown by liquid phase epitaxy and is only one order of magnitude higher than the bulk YIG damping (α = 3∙〖10〗^(-5)). Inductive measurements performed with a vectorial network analyzer show that spin waves can propagate over hundreds microns through such thin films. The suitability of 20 nm thick YIG films for magnonic applications is therefore confirmed by this result.In order to detect/excite spinwave by exploiting SHE, we have deposited different metals (Pt, Pd, CuBi) on our YIG films, thus obtaining YIG|NM bilayers. We have performed a nonlocal detection of spin waves based on inverse SHE and spin pumping phenomena. From the FMR analysis, we also measured the spin mixing conductance g_(↑↓) that quantify the efficiency of spin pumping.To answer the question of the origin of magnetoresistance observed into YIG|NM bilayers, intrinsic or extrinsic origin (ie. induced by the magnetic polarization of the NM), we have measured the X-ray magnetic circular dichroism of YIG|Pd bilayers at the K-edge of Pd. These measurements do not show any induced magnetic moment for YIG to Pt for a resolution of 〖10〗^(-5) μ_B/atom. Combining this result with magnetotransport measurements performed on the same samples, allowed us to show that the spin pumping between a ferromagnetic insulator and a nonmagnetic metal could explain (without any magnetic proximity effects) spin Hall magnetoresistance effects observed into these bilayers.We studied the magnetization dynamics of YIG and YIG|NM nanodisks by magnetic resonance force microscopy. This study has shown that the nanostructuration performed on these films doesn’t affect such parameters as α and g_(↑↓), the geometrical confinement even leads to suppress the linewidth inhomogeneous broadening (ΔH_0).Then, we injected a continuous electrical current through the NM. Using the spin transfer torque of the spin current thus created into the NM by direct spin Hall effect, it allowed us to modified (increased/decreased) the FMR mode’s linewidth of a YIG|NM microdisk. After reaching a critical current, we managed to enable (without any RF excitation) a regime of magnetization auto-oscillations into the YIG. This last result, which confirms the ability of exciting the YIG magnetization dynamics by spin transfer torque, is very promising for the integration of magnonic devices into electronic circuits.

Cette thèse porte sur l’étude de la génération, la propagation et la détection d’ondes de spin dans des nanostructures et microstructures élaborées à partir de couches ultra-minces (quelques nanomètres d’épaisseur) de Y₃Fe₅O₁₂ (YIG). Ce travail se trouve à l’interface entre deux thématiques du magnétisme : la magnonique et la spintronique. Grâce aux effets spin-orbite dans des microstrutures YIG|Pt, il a été possible d’étudier et de manipuler la dynamique d’aimantation du YIG, un matériau utilisé de longues dates sous forme de films épais ou billes pour ses très faibles pertes magnétiques. Ce travail ouvre la voie au développement de circuits magnoniques submicroniques soit pour le traitement des signaux hyperfréquences pour les applications télécom soit pour la réalisation de circuits logiques dans la perspective du remplacement de la technologie CMOS (beyond-CMOS). Ce travail repose sur une expertise dans la croissance de films de YIG développée au laboratoire. Les couches ultra-minces de YIG ont été élaborées par ablation laser pulsée. Pour les meilleurs films ayant une épaisseur de 20 nm, la constante d’amortissement de Gilbert caractérisant les pertes des films, estimée par résonance ferromagnétique, est typiquement de α=3x10⁻ 4. Cette avancée cruciale sur l’aspect matériau a ouvert au début de ma thèse un champ de possibilités pour la réalisation et l’étude de dispositifs magnoniques. En effet, la diminution des épaisseurs a permis d’ouvrir le YIG au domaine de la micro/nanofabrication, levant ainsi un verrou technologique vieux de plusieurs décennies. Nous avons donc pu montrer par des mesures inductives et optiques que la propagation d’ondes de spin dans des guides d’onde de YIG de 20 nm d’épaisseur pouvait être faite sur plusieurs dizaines de microns. Prouvant que la structuration des films de YIG n’altère pas la propagation des ondes de spin ouvrant la voie vers la réalisation de circuits magnoniques plus complexes. En structurant ces films de YIG pour obtenir des cristaux magnoniques, il est possible de générer une modulation spatiale du potentiel vu par les ondes de spin, se traduisant par l’apparition de bande interdite (ou gap) dans la transmittance de fréquences. L’étude de la propagation des ondes de spin dans un cristal a montré l’apparition d’un gap par des mesures BLS, accompagnée par une augmentation de l’atténuation pour la longueur d’onde de Bragg. Pour la première fois dans des films ultra-minces de YIG, ce gap montre la possibilité de réaliser une fonctionnalité de filtrage fréquentiel. La preuve de concept a été validée pour un cristal magnonique adapté pour l’intégration à des dispositifs magnoniques. Afin de manipuler et exciter la dynamique d’aimantation du YIG, nous avons dans une deuxième partie réalisée des microstructures à base de bicouche YIG|Pt. L’injection d’un courant électrique dans le Pt donne naissance, grâce à l’effet Hall de spin, à une accumulation de spin qui se couple à l’interface avec l’aimantation du YIG et permet ainsi d’exercer un couple de transfert de spin (STT) et de générer une dynamique d’aimantation du YIG. Nous avons mis en évidence la modulation d’un facteur cinq de la longueur d’atténuation des ondes de spin se propageant dans une piste YIG|Pt grâce à l’amplification des ondes de spin par STT. Ce contrôle efficace de l’atténuation s’avère très intéressant pour le transport d’information porté par les ondes de spin, afin d’amplifier ou supprimer les ondes de spin et donc sélectionner l’information transmise. Par ailleurs, au-delà d’un courant critique d’injection, nous avons pu observer des auto-oscillations de l’aimantation du YIG à la fois dans des plots ou des pistes. Ce résultat confirme la possibilité d’exciter électriquement la dynamique d’aimantation du YIG par STT. Une étude rigoureuse de ce régime a été effectuée dans des microdisques YIG|Pt pour déterminer le comportement des auto-oscillations et imager les modes d’ondes de spin excités dans le YIG. / The aim of this thesis is to study the generation, propagation and detection of spin waves in nanostructures and microstrutures based on ultrathin (a few nanometers thickness) Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) films. This work is at the interface between two fields of magnetism: magnonics and spintronics. Thanks to spin-orbit effects in YIG|Pt microstructures, it has been possible to study and manipulate YIG magnetization dynamic, a material known and used for a long time as thick films or spheres due to its very low magnetic losses. This work opens the path towards the development of submicronic magnonic circuits either for processing radiofrequency signals of for the realization of spin waves logic devices for a future beyond-CMOS technology. Prior to the present work, a significant efforts have been made in the lab to grow epitaxial nanometer thick YIG films by pulsed laser deposition (PLD). It was possible to reduce the film thickness down to a few nanometers while preserving excellent magnetic properties. For the best YIG films having a thickness of 20 nm, ferromagnetic resonance measurements yield a Gilbert magnetic damping of α=3x10⁻ 4 . This value is comparable to micrometer thick YIG films grown by liquid phase epitaxy (LPE). This important step forward on the material aspect opened new possibilities for the realization of magnonic devices that can have a large impact on the ICT industry. Indeed, microfabrication of YIG is now possible thanks to the advent of high quality nanometer thick YIG films. Thus, we have observed the propagation of spin waves in 20-nm thick, 2.5 µm wide YIG waveguides over large distances using inductive and optical detection. Spin-wave propagation characteristics are not affected by microstructuration opening the path to the reliable design of complex magnonic circuits.By structuring YIG films to obtain magnonic crystals, it is possible to generate spatial modulation of the potential seen by spin waves, resulting in the appearance of gaps in the transmittance in frequency. To do so, magnonic crystals implemented in form of microscopic waveguides whose width is periodically varied, were fabricated. The study of spin-wave propagation showed the appearance of a gap accompanied by an increase of the spin-wave attenuation length due to Bragg reflection. For the first time in ultrathin YIG films, this gap shows the possibility to realize radiofrequency filtering. In order to manipulate and excite YIG magnetization dynamics, we have designed YIG|Pt microstructures either stripes or microdisks. Thanks to the spin Hall effect, an electrical current passing in Pt generates a transverse spin accumulation coupled at the interface to the YIG’s magnetization making it possible to exert spin transfer torque (STT). We have highlighted an efficient modulation, by a factor of five, of the spin-wave attenuation length. This control on the decay constant proves to be very interesting for the transport of information using spin waves as data carriers, in order to be able to amplify or suppress spin waves and to select transmitted information. In addition, beyond a critical current, we have induced auto-oscillations of YIG magnetization, either in stripes of microdisks, confirming the possibility to electrically excite YIG magnetization dynamics using STT. A rigorous study of this nonlinear regime has been carried out in YIG|Pt microdisks to determine auto-oscillations behavior and to observe directly dynamic modes excited in YIG.

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