Research on spintronics has galvanized the design of new devices that exploit the electronic spin in order to augment the performance of current microelectronic technologies. The sucessful implementation of these devices is largely contingent on a quantitative understanding of nonequilibrium magnetism in conducting ferromagnets. This thesis is largely devoted to expanding the microscopic theory of magnetization relaxation and current-induced spin torques in transition metals ferromagnets as well as in (III,Mn)V dilute magnetic semiconductors. We start with two theoretical studies of the Gilbert damping in electric equilibrium, which treat disorder exactly and include atomic-scale spatial inhomogeneities of the exchange field. These studies enable us to critically review the accuracy of the conventional expressions used to evaluate the Gilbert damping in transition metals. We follow by generalizing the calculation of the Gilbert damping to current-carrying steady states. We find that the magnetization relaxation changes in presence of an electric current. We connect this change with the non-adiabatic spin transfer torque parameter, which is an elusive yet potentially important quantity of nonequilibrium magnetism. This connection culminates in a concise analytical expression that will lead to the first ab initio estimates of the non-adiabatic spin transfer torque in real materials. Subsequently we predict that in gyrotropic ferromagnets the magnetic anisotropy can be altered by a dc current. In these systems spin-orbit coupling, broken inversion symmetry and chirality conspire to yield current-induced spin torques even for uniform magnetic textures. We thus demonstrate that a transport current can switch the magnetization of strained (Ga,Mn)As. This thesis concludes with the transfer of some fundamental ideas from nonequilibrium magnetism into the realm of superconductors, which may be viewed as easy-plane ferromagnets in the particle-hole space. We emphasize on the analogies between nonequilibrium magnetism and superconductivity, which have thus far been studied as completely separate disciplines. Our approach foreshadows potentially new effects in superconductors. / text

Title: Investigation of spin structure and dynamics in magnetically ordered thin films Author: Tomáš Janda Abstract: This thesis is devoted to the development of methods for imaging and ultrafast manipulation of magnetic textures, such as magnetic domains and domain walls (DWs), and to the investigation of the corresponding magnetiza- tion dynamics. We focused on techniques that are, besides ferromagnets (FMs), applicable also to antiferromagnets (AFs), in particular, AF thin films. The employed excitation techniques were mostly based on direct or indirect effects of ultrashort laser pulses. We studied the DW motion induced by a transfer of angular momentum from circularly polarized femtosecond laser pulses in a FM GaMnAsP and we found that the observed macroscopic DW displacement is only possible due to its inertia. In a distinct experiment, picosecond current pulses were generated by an absorption of the ultrashort laser pulses in a verti- cal PIN diode-based photoconductive switch and used to excite a magnetic film deposited directly on top of the diode. For imaging of AF domain patterns, we developed a simple table-top laser-scanning technique, which is based on a magneto-thermoelectric response of the AF textures in the presence of a local laser-induced heating. We first used the method to image the...

Ao passar por uma fina camada magnética uma corrente spin polarizada pode produzir um efeito de torque clássico atuando na camada, sendo capaz de gerar precessão e reversão da magnetização. Esse efeito tem sido alvo de inúmeras pesquisas, em especial pela possibilidade de aplicações em memórias magnéticas não voláteis e em nano-osciladores de alta frequência, entretanto outras características podem ser exploradas. Em particular, devido ao seu caráter não-linear, torques de spin aplicados em camadas magnéticas podem fornecer condições para aparecimento de caos determinístico e ressonância estocástica. Caos determinístico pode ocorrer em sistemas dinâmicos contínuos que tenham ao menos três graus de liberdade. Nesse caso, mesmo que apenas termos determinísticos sejam considerados, a combinação de termos não-lineares e alta sensibilidade em relação a condições iniciais ou pequenas perturbações pode gerar irregularidade e imprevisibilidade no sistema. Ressonância estocástica é o nome que se dá para fenômenos em que a adição de ruído a um sistema pode melhorar a resposta do mesmo, existindo um nível ótimo de ruído. Esse fenômeno pode ser usado para detecção e amplificação de sinais de baixa intensidade, por exemplo. Aqui analisamos a dinâmica da magnetização da camada livre de junções magnéticas em geometrias do tipo nanopilar, com o estudo dividido em dinâmicas determinísticas e estocásticas. Dentro da análise apenas com termos determinísticos, buscamos verificar comportamentos regulares, irregulares e caóticos, caracterizando o sistema através da geração de diagramas com as fases dinâmicas para diferentes valores de parâmetros. Foram vistas duas geometrias diferentes, sendo que em uma delas foi possível fazer a caracterização completa das fases dinâmicas do sistema. No caso de dinâmicas estocásticas, buscamos explorar efeitos não-lineares e flutuações térmicas, analisando ressonância estocástica e sincronização facilitada por ruído em uma junção túnel magnética, além de estudar as respostas dinâmicas quando há apenas o torque de Slonczewski e quando também está presente o torque tipo campo. Foi possível observar a influência de diversos parâmetros, como a amplitude da corrente aplicada e a frequência de entrada, na resposta magnética e na sincronização de dispositivos estocásticos. Além disso, vimos que com a inclusão do torque tipo campo aparece um possível novo comportamento, similar à ressonância, em alta frequência, ainda não detectado experimentalmente. Esses resultados são importantes pela possibilidade de uso desses dispositivos spintrônicos em transmissão segura de dados, comunicação em alta frequência e em uma nova geração de dispositivos bio-inspirados e eficientes energeticamente. / When passing through a fine magnetic layer a spin polarized electric current may result in a classical torque acting on the layer, being capable of causing magnetization precession and reversal. This effect has been object of numerous researches, specially because of possible applications in non-volatile magnetic memories and high frequency nanooscillators. However, other characteristics can be exploited. In particular, because of its non-linear features, spin torques acting on magnetic layers can generate the conditions for deterministic chaos and stochastic resonance to arise. Deterministic chaos may happen in continuous nonlinear dynamical systems with at least three degrees of freedom. In this case, even if only deterministic terms are considered, the combination of nonlinearities with high sensitivity on initial conditions or small perturbations can produce irregularity and unpredictability in the dynamical behaviour. Stochastic resonance is the phenomenon in which the addition of noise in a system can produce a better output, or system response, existing an optimal noise level. This effect can be used as a way to detect and amplify low intensity signal, for example. In this PhD Thesis we study the magnetization dynamics on the free layer of magnetic junctions in nanopillar geometries. The work is divided into two parts: deterministic and stochastic dynamics. When analysing the deterministic case we tried to characterize regular, irregular and chaotic behaviours, producing dynamical phases diagrams for different system parameters. Two different geometries were analysed, being possible to generate a complete characterization of the dynamical phases in one of them. For the stochastic case we tried to explore nonlinear effects and thermal fluctuations, analysing stochastic resonance and noise-enhanced synchronization in a magnetic tunnel junction and studying the dynamical response when only one spin torque is considered, the Slonczewski torque, and also when a perpendicular torque, the field-like torque, is present. We were able to see the influence of several system parameters, such as the amplitude of the applied electric current and the input frequency, on the system response and on the synchronization of stochastic systems. Also, we noticed that with the inclusion of the field-like torque a possibly new high frequency resonance-like behaviour appears. These results are important because of the possibility of using new spintronic devices for secure data transmission, high frequency communications and on a new generation of bio-inspired devices.

Ao passar por uma fina camada magnética uma corrente spin polarizada pode produzir um efeito de torque clássico atuando na camada, sendo capaz de gerar precessão e reversão da magnetização. Esse efeito tem sido alvo de inúmeras pesquisas, em especial pela possibilidade de aplicações em memórias magnéticas não voláteis e em nano-osciladores de alta frequência, entretanto outras características podem ser exploradas. Em particular, devido ao seu caráter não-linear, torques de spin aplicados em camadas magnéticas podem fornecer condições para aparecimento de caos determinístico e ressonância estocástica. Caos determinístico pode ocorrer em sistemas dinâmicos contínuos que tenham ao menos três graus de liberdade. Nesse caso, mesmo que apenas termos determinísticos sejam considerados, a combinação de termos não-lineares e alta sensibilidade em relação a condições iniciais ou pequenas perturbações pode gerar irregularidade e imprevisibilidade no sistema. Ressonância estocástica é o nome que se dá para fenômenos em que a adição de ruído a um sistema pode melhorar a resposta do mesmo, existindo um nível ótimo de ruído. Esse fenômeno pode ser usado para detecção e amplificação de sinais de baixa intensidade, por exemplo. Aqui analisamos a dinâmica da magnetização da camada livre de junções magnéticas em geometrias do tipo nanopilar, com o estudo dividido em dinâmicas determinísticas e estocásticas. Dentro da análise apenas com termos determinísticos, buscamos verificar comportamentos regulares, irregulares e caóticos, caracterizando o sistema através da geração de diagramas com as fases dinâmicas para diferentes valores de parâmetros. Foram vistas duas geometrias diferentes, sendo que em uma delas foi possível fazer a caracterização completa das fases dinâmicas do sistema. No caso de dinâmicas estocásticas, buscamos explorar efeitos não-lineares e flutuações térmicas, analisando ressonância estocástica e sincronização facilitada por ruído em uma junção túnel magnética, além de estudar as respostas dinâmicas quando há apenas o torque de Slonczewski e quando também está presente o torque tipo campo. Foi possível observar a influência de diversos parâmetros, como a amplitude da corrente aplicada e a frequência de entrada, na resposta magnética e na sincronização de dispositivos estocásticos. Além disso, vimos que com a inclusão do torque tipo campo aparece um possível novo comportamento, similar à ressonância, em alta frequência, ainda não detectado experimentalmente. Esses resultados são importantes pela possibilidade de uso desses dispositivos spintrônicos em transmissão segura de dados, comunicação em alta frequência e em uma nova geração de dispositivos bio-inspirados e eficientes energeticamente. / When passing through a fine magnetic layer a spin polarized electric current may result in a classical torque acting on the layer, being capable of causing magnetization precession and reversal. This effect has been object of numerous researches, specially because of possible applications in non-volatile magnetic memories and high frequency nanooscillators. However, other characteristics can be exploited. In particular, because of its non-linear features, spin torques acting on magnetic layers can generate the conditions for deterministic chaos and stochastic resonance to arise. Deterministic chaos may happen in continuous nonlinear dynamical systems with at least three degrees of freedom. In this case, even if only deterministic terms are considered, the combination of nonlinearities with high sensitivity on initial conditions or small perturbations can produce irregularity and unpredictability in the dynamical behaviour. Stochastic resonance is the phenomenon in which the addition of noise in a system can produce a better output, or system response, existing an optimal noise level. This effect can be used as a way to detect and amplify low intensity signal, for example. In this PhD Thesis we study the magnetization dynamics on the free layer of magnetic junctions in nanopillar geometries. The work is divided into two parts: deterministic and stochastic dynamics. When analysing the deterministic case we tried to characterize regular, irregular and chaotic behaviours, producing dynamical phases diagrams for different system parameters. Two different geometries were analysed, being possible to generate a complete characterization of the dynamical phases in one of them. For the stochastic case we tried to explore nonlinear effects and thermal fluctuations, analysing stochastic resonance and noise-enhanced synchronization in a magnetic tunnel junction and studying the dynamical response when only one spin torque is considered, the Slonczewski torque, and also when a perpendicular torque, the field-like torque, is present. We were able to see the influence of several system parameters, such as the amplitude of the applied electric current and the input frequency, on the system response and on the synchronization of stochastic systems. Also, we noticed that with the inclusion of the field-like torque a possibly new high frequency resonance-like behaviour appears. These results are important because of the possibility of using new spintronic devices for secure data transmission, high frequency communications and on a new generation of bio-inspired devices.

Ao passar por uma fina camada magnética uma corrente spin polarizada pode produzir um efeito de torque clássico atuando na camada, sendo capaz de gerar precessão e reversão da magnetização. Esse efeito tem sido alvo de inúmeras pesquisas, em especial pela possibilidade de aplicações em memórias magnéticas não voláteis e em nano-osciladores de alta frequência, entretanto outras características podem ser exploradas. Em particular, devido ao seu caráter não-linear, torques de spin aplicados em camadas magnéticas podem fornecer condições para aparecimento de caos determinístico e ressonância estocástica. Caos determinístico pode ocorrer em sistemas dinâmicos contínuos que tenham ao menos três graus de liberdade. Nesse caso, mesmo que apenas termos determinísticos sejam considerados, a combinação de termos não-lineares e alta sensibilidade em relação a condições iniciais ou pequenas perturbações pode gerar irregularidade e imprevisibilidade no sistema. Ressonância estocástica é o nome que se dá para fenômenos em que a adição de ruído a um sistema pode melhorar a resposta do mesmo, existindo um nível ótimo de ruído. Esse fenômeno pode ser usado para detecção e amplificação de sinais de baixa intensidade, por exemplo. Aqui analisamos a dinâmica da magnetização da camada livre de junções magnéticas em geometrias do tipo nanopilar, com o estudo dividido em dinâmicas determinísticas e estocásticas. Dentro da análise apenas com termos determinísticos, buscamos verificar comportamentos regulares, irregulares e caóticos, caracterizando o sistema através da geração de diagramas com as fases dinâmicas para diferentes valores de parâmetros. Foram vistas duas geometrias diferentes, sendo que em uma delas foi possível fazer a caracterização completa das fases dinâmicas do sistema. No caso de dinâmicas estocásticas, buscamos explorar efeitos não-lineares e flutuações térmicas, analisando ressonância estocástica e sincronização facilitada por ruído em uma junção túnel magnética, além de estudar as respostas dinâmicas quando há apenas o torque de Slonczewski e quando também está presente o torque tipo campo. Foi possível observar a influência de diversos parâmetros, como a amplitude da corrente aplicada e a frequência de entrada, na resposta magnética e na sincronização de dispositivos estocásticos. Além disso, vimos que com a inclusão do torque tipo campo aparece um possível novo comportamento, similar à ressonância, em alta frequência, ainda não detectado experimentalmente. Esses resultados são importantes pela possibilidade de uso desses dispositivos spintrônicos em transmissão segura de dados, comunicação em alta frequência e em uma nova geração de dispositivos bio-inspirados e eficientes energeticamente. / When passing through a fine magnetic layer a spin polarized electric current may result in a classical torque acting on the layer, being capable of causing magnetization precession and reversal. This effect has been object of numerous researches, specially because of possible applications in non-volatile magnetic memories and high frequency nanooscillators. However, other characteristics can be exploited. In particular, because of its non-linear features, spin torques acting on magnetic layers can generate the conditions for deterministic chaos and stochastic resonance to arise. Deterministic chaos may happen in continuous nonlinear dynamical systems with at least three degrees of freedom. In this case, even if only deterministic terms are considered, the combination of nonlinearities with high sensitivity on initial conditions or small perturbations can produce irregularity and unpredictability in the dynamical behaviour. Stochastic resonance is the phenomenon in which the addition of noise in a system can produce a better output, or system response, existing an optimal noise level. This effect can be used as a way to detect and amplify low intensity signal, for example. In this PhD Thesis we study the magnetization dynamics on the free layer of magnetic junctions in nanopillar geometries. The work is divided into two parts: deterministic and stochastic dynamics. When analysing the deterministic case we tried to characterize regular, irregular and chaotic behaviours, producing dynamical phases diagrams for different system parameters. Two different geometries were analysed, being possible to generate a complete characterization of the dynamical phases in one of them. For the stochastic case we tried to explore nonlinear effects and thermal fluctuations, analysing stochastic resonance and noise-enhanced synchronization in a magnetic tunnel junction and studying the dynamical response when only one spin torque is considered, the Slonczewski torque, and also when a perpendicular torque, the field-like torque, is present. We were able to see the influence of several system parameters, such as the amplitude of the applied electric current and the input frequency, on the system response and on the synchronization of stochastic systems. Also, we noticed that with the inclusion of the field-like torque a possibly new high frequency resonance-like behaviour appears. These results are important because of the possibility of using new spintronic devices for secure data transmission, high frequency communications and on a new generation of bio-inspired devices.