In this work, we analyzed samples of thin films Ni81Fe19 and Pd with ZnO spacer. Ni81Fe19 is a ferromagnet with a low saturation magnetic field. Pd is a normal metal with high spinorbit coupling, much used in spin Hall effect and inverse spin Hall effect studies. ZnO is a semiconductor whose role is to reduce the charge current between layers. The sample have 5 nm of Ni81Fe19, 3 nm of Pd, and 2 nm of ZnO, with dimensions of 0.4 mm x 8 mm, deposited by magnetron sputtering. Using spin pumping we analyze the signal of the continuous voltage induced by ferromagnetic resonance. These samples the measured signal is a consequence of anisotropic magnetoresistance, anomalous Hall effect and inverse spin Hall effect. The thicknesses used contributes to a predominant inverse spin Hall effect signal. The ZnO spacer layer 2 nm reduces the effects of spin rectification, while maintaining spin current transfer. / Neste trabalho analisamos amostras de filmes finos de Ni81Fe19 e Pd separados por ZnO. O Ni81Fe19 foi escolhido por ser um ferromagneto com baixo campo magnético de saturação. O Pd é um metal normal com alto acoplamento spin-órbita, muito usado em estudos de efeito Hall de spin e efeito Hall de spin inverso. O ZnO é um semicondutor com o papel de diminuir a transferência de corrente de carga entre as camadas. As amostras tem espessura de 5 nm de Ni81Fe19, 3 nm de Pd e 2 nm de ZnO, com dimensões de 0,4 mm x 8 mm, depositadas por magnetron sputtering. Através da técnica de spin pumping analisamos o sinal de tensão contínua induzida por ressonância ferromagnética. Nestas amostras o sinal medido é consequência de efeitos de magnetorresistência anisotrópica, efeito Hall anômalo e efeito Hall de spin inverso. As espessuras utilizadas permitem um sinal de efeito Hall de spin inverso predominante. A camada espaçadora de 2nm de ZnO reduz os efeitos de retificação de spin, mantendo a transferência de corrente de spin.

The recent discoveries of topological insulators (TI) has opened a new realm for study¬ing topological systems and exploring the exotic properties they offer. The in-built topological protection against direct backscattering and absence of localization makes two-dimensional (2D) surface states of bismuth chalcogenide-based strong TI a promising platform for studying interesting phenomena in condensed matter physics like dissipation-less transport, quantum anomalous hall effect, topological magnetoelectric effect, majo¬rana fermions etc. and also makes this system very suitable for applications in the fields of electronics and spintronics. However, realization of these novel states can be difficult because of scattering of surface states from different types of disorders (intrinsic or ex¬trinsic) or the presence of parallel channels in the bulk of the sample which can dominate over surface transport. The main goal of this thesis is to evaluate the performance of TI as an electronic element and look into elastic and inelastic scattering processes and kinetics of these scatterers. In most part of this work we concentrate on the magnitude and origin of low-frequency flicker noise or the 1/f-noise, a key performance marker in electronics, to characterize the electrical transport in TI. In this work we have studied 1/f-noise in both mechanically exfoliated TI-flakes and epitaxially grown TI films by varying chemical potential and temperature. Our study of exfoliated TI-flakes with a wide range of thickness (10 nm to 80 μm) suggests that whereas at thinner (<100 nm) samples and at low temperature (<70 K), the electrical transport happens entirely at the surface, resistance fluctuations in the surface states are mainly caused by potential fluctuations caused by generation-recombination processes in the bulk of TI. Study of 1/f-noise in MBE-grown magnetically doped TI reveals signature of hopping transport through localized bulk mid gap states. These states can either be Cr-impurity band or disorder-induced mobility edge states of bulk valence band. Our study of quantum transport in exfoliated TI-devices indicate presence of a de-coherence mechanism which saturates phase-coherence length and temperature below T< 3 K and results from a unique scattering mechanism caused by localized magnetic moments in these systems

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23512号 / 工博第4924号 / 新制||工||1769(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査)教授 白石 誠司, 教授 山田 啓文, 教授 引原 隆士 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

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Neste trabalho foram estudadas as fases topológicas não triviais presentes em sistemas formados pela deposição de átomos de grafeno. Encontramos que quando um átomo hibridiza fortemente com o grafeno, apresenta um momento magnético e um forte spin-órbirta é possível a formação de uma rede hexagonal de baricentros que efetivamente gera uma estrutura de bandas característica de um efeito hall quântico anômalo. Especificamente, determinamos que o Ru satisfaz estas características. Quando este metal é depositado em uma configuração triangular no grafeno ocorrem picos na densidade de estados localizados no centro geométrico (baricentro) dos triângulos formados pelos Ru. Estes picos estão distribuídos de forma hexagonal e efetivamente geram uma estrutura de bandas que nas proximidades do nível de Fermi apresenta uma configuração de spin característica do efeito Hall quântico anômalo. Adicionalmente, encontramos que o sistema composto pela absorção de Ba ou Sr no grafeno favorece a formação do efeito Hall quântico de spin. Neste sistema, o acoplamento spin-órbita (SOC) gera um gap mais de 1000 vezes maior ao período no grafeno prístino. Para o estudo destes sistemas, implementamos no código SIESTA a aproximação on-site do acoplamento spin-órbita via o formalismo dos pseudopotenciais relativísticos de norma conservada. Nossa implementação foi testada a partir do estudo de fenômenos já conhecidos: i) o strong spin-splitting gerado no grafeno pela adsorção de Au, ii) o efeito hall quântico de spin no poço quântico de HgTe/CdTe e, iii) a formação de estados topológicos na superfície do Bi2Se3 e as fases magnéticas deste material com átomos de Mn adsorvidos. / In this work, were studied the non-trivial topological phases present in systems formed by deposition of atoms in graphene. We found that when an atom hybridizes strongly with grapheme, has a magnetic moment and a strong spin-orbit it is possible the formation of a hexagonal network of barycentres that effectively generates a structure band characteristic of a quantum anomalous Hall effect. Specifically, we determined that Ru satisfies these characteristics. When this metal is deposited in a triangular configuration in grapheme, peaks occur in the density of localized states in the geometric center (centroid) of the triangles formed by Ru. These peaks are distributed in a hexagonal structure and effectively generates a band structure that near the Fermi level has a spin configuration characteristic of the spin quantum Hall effect anomalous. Additionally, we found that the system composed by the adsorption of Ba or Sr in grapheme, promotes the formation of spin quantum Hall effect. In this system, the spin-orbit coupling (SOC) generates a gap more than 1000 times grater that predicted in pristine praphene. To study these systems, wu implemented in the code SIESTA the on-site approach of the spin-orbit coupling throught the formalism of norm conserved relativistic pseudo potentials. Our implementation was tested from the study of phenomena already known: i) the strong spin-splitting generated in graphene by adsorption of Au, ii) the quantum spin Hall effect in quantum well of HgTe / CdTe and, iii) formation of topological states in the surface of Bi2Se3 and the magnetic of this material with Mn atoms adsorved.

Neste trabalho foram estudadas as fases topológicas não triviais presentes em sistemas formados pela deposição de átomos de grafeno. Encontramos que quando um átomo hibridiza fortemente com o grafeno, apresenta um momento magnético e um forte spin-órbirta é possível a formação de uma rede hexagonal de baricentros que efetivamente gera uma estrutura de bandas característica de um efeito hall quântico anômalo. Especificamente, determinamos que o Ru satisfaz estas características. Quando este metal é depositado em uma configuração triangular no grafeno ocorrem picos na densidade de estados localizados no centro geométrico (baricentro) dos triângulos formados pelos Ru. Estes picos estão distribuídos de forma hexagonal e efetivamente geram uma estrutura de bandas que nas proximidades do nível de Fermi apresenta uma configuração de spin característica do efeito Hall quântico anômalo. Adicionalmente, encontramos que o sistema composto pela absorção de Ba ou Sr no grafeno favorece a formação do efeito Hall quântico de spin. Neste sistema, o acoplamento spin-órbita (SOC) gera um gap mais de 1000 vezes maior ao período no grafeno prístino. Para o estudo destes sistemas, implementamos no código SIESTA a aproximação on-site do acoplamento spin-órbita via o formalismo dos pseudopotenciais relativísticos de norma conservada. Nossa implementação foi testada a partir do estudo de fenômenos já conhecidos: i) o strong spin-splitting gerado no grafeno pela adsorção de Au, ii) o efeito hall quântico de spin no poço quântico de HgTe/CdTe e, iii) a formação de estados topológicos na superfície do Bi2Se3 e as fases magnéticas deste material com átomos de Mn adsorvidos. / In this work, were studied the non-trivial topological phases present in systems formed by deposition of atoms in graphene. We found that when an atom hybridizes strongly with grapheme, has a magnetic moment and a strong spin-orbit it is possible the formation of a hexagonal network of barycentres that effectively generates a structure band characteristic of a quantum anomalous Hall effect. Specifically, we determined that Ru satisfies these characteristics. When this metal is deposited in a triangular configuration in grapheme, peaks occur in the density of localized states in the geometric center (centroid) of the triangles formed by Ru. These peaks are distributed in a hexagonal structure and effectively generates a band structure that near the Fermi level has a spin configuration characteristic of the spin quantum Hall effect anomalous. Additionally, we found that the system composed by the adsorption of Ba or Sr in grapheme, promotes the formation of spin quantum Hall effect. In this system, the spin-orbit coupling (SOC) generates a gap more than 1000 times grater that predicted in pristine praphene. To study these systems, wu implemented in the code SIESTA the on-site approach of the spin-orbit coupling throught the formalism of norm conserved relativistic pseudo potentials. Our implementation was tested from the study of phenomena already known: i) the strong spin-splitting generated in graphene by adsorption of Au, ii) the quantum spin Hall effect in quantum well of HgTe / CdTe and, iii) formation of topological states in the surface of Bi2Se3 and the magnetic of this material with Mn atoms adsorved.

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.

Spintronics is the study of electron spins and their utilization in electronic devices. Within this field, spin-based oscillators have shown promise for mi- crowave signal generation as they can operate at high frequencies, are small in scale and are compatible with modern fabrication techniques. Among these oscillators are the spin Hall nano-oscillators (SHNOs). They are nanoscale thin-film structures driven by pure spin-current injection from a primary con- ductor into a ferromagnetic material. This process can be used to generate microwave signals through oscillations in the material’s magnetization. By constraining the current flow in the device to individual constrictions, an ar- ray arrangement of multiple oscillators can be realized. These oscillators can then be coupled together via their internal interactions to achieve mutual syn- chronization and improve their characteristics.In this work, a versatile micromagnetic modelling procedure for simulating constriction-based SHNOs and their synchronization dynamics in different ar- ray arrangements is presented. A case study of various 2x2 array geometries is conducted along with an exploration of higher-order networks of 4x4, 6x6 and 8x8 oscillators. A perturbative optimization algorithm is developed to improve excitation conditions and drive geometries into a synchronized regime. Lastly, a comparison to nonlinear auto-oscillator theory is presented to illustrate the dependence of generated signals on constriction sizes and the spacing between oscillators. Mutual synchronization between multiple oscillators is achieved and favourable geometry and excitation conditions are defined. The conducted simulations show good agreement with experimental results and illustrate the potential for future studies of SHNO characteristics through micromagnetic modelling. / Spinntronik är ett forskningsområde, som handlar om hur elektronens s.k. spinn kan användas i elektroniska komponenter. Inom detta område har spinnbaserade oscillatorer visat sig ha lovande egenskaper för generering av mikrovågssignaler, eftersom de har höga arbetsfrekvenser, liten storlek och är kompatibla med moderna tillverkningstekniker. En typ av dessa oscillatorer kallas spinn-Hall nano-oscillatorer (SHNO). De är nanometerstora tunnfilms- strukturer, vilka drivs av en ren spinnström, som injiceras från en (metallisk) ledare till en ett ferromagnetiskt material. Denna mekanism kan användas för att skapa mikrovågssignaler genom oscillationer i materialets magnetisering. Genom att begränsa strömflödet i komponenten till enskilda gap kan man skapa en matris med ett stort antal oscillatorer. Dessa oscillatorer kan sedan kopplas till varandra genom interna utbytesmekanismer och på så sätt uppnår man en ömsesidig koppling och förbättrade egenskaper.I detta arbete presenteras ett mångsidigt mikromagnetiskt modelleringsflö- de, för att simulera SHNO:er, baserade på nano-gap, och deras synkronisering i olika matriskonfigurationer. En fallstudie som inkluderar olika 2x2 matris- geometrier har genomförts tillsammans med explorativ utforskning av högre ordnings nätverk, såsom 4x4, 6x6 och 8x8 oscillatorer. En störnings-baserad optimerings-algoritm har utvecklats för att förbättra exciterings-parametrarna och för att tvinga geometrierna in i en synkroniserad regim. Som en avslutning presenteras en jämförelse med icke-linjär auto-oscillatorteori för att visa den genererade signalens beroende på gapens storlek och avståndet mellan dem. Ömsesidig synkronisering mellan flera oscillatorer kunde uppnås och en för- delaktig geometri samt lämpliga värden på exciterings-parametrarna kunde definieras. Simuleringarna i studien hade bra överensstämmelse med experi- mentella resultat och visar på potentialen för vidare studier av SHNO egen- skaper med hjälp av mikromagnetisk modellering.

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Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2016-03-15T12:16:24Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 5169144 bytes, checksum: 66d534e3f0c0c59bf5d35a45290fa390 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-15T12:16:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 5169144 bytes, checksum: 66d534e3f0c0c59bf5d35a45290fa390 (MD5) Previous issue date: 2015-02-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this thesis, we propose an experimental setup for the study of Landau quantization and associated effects in a two-dimensional ultracold atomic gas. Gauge fields can emerge in the equation of motion for the optically addressed ultracold atoms. To this end, spatially dependent dark states are necessary for the internal states of the atoms. A tripod level scheme yields two degenerate dark states which can leads to either an Abelian U(1) U(1) gauge field or a non-Abelian SU(2) gauge field. Using a suitable laser configuration, we obtain a uniform U(1) U(1) magnetic field which causes the atoms organize themselves in Landau levels. The strength of the effective magnetic field depends on the relative intensity of the lasers beams at the atomic cloud. We estimate the degeneracy of the energy levels for an atomic gas formed by atoms of 87Rb. In addition, we establish the experimental conditions to reach the lowest Landau level regime. In the zero-temperature limit, we realize the emergence of magnetic oscillations in the atomic energy and its derivative as function of the inverse of the effective magnetic field (de Haas van Alphen effect). The period of the de Haas van Alphen oscillation allow us to determine area of the Fermi circle for the atomic gas via an Onsager-like relation. We also show that detuning the a laser from the two-photon resonance we generate a parabolic scalar potential that laterally confines the atoms. As a consequence, the Landau levels degeneracy is removed, since the energy spectrum depends explicitly on the transverse atomic momentum. We show that the Landau levels presents a reminiscent degeneracy when the boundaries conditions are considered. The residual degeneracy occurs when different energy levels overlap. We map the residual degeneracy points as a function of the effective magnetic field. Finally, we present an experimental scheme for observing the spin Hall effect for ultracold atoms in a tripod configuration. / Nesta tese, propomos um arranjo experimental para o estudo da quantização de Landau e efeitos associados em um gás atômico ultrafrio bidimensional. Campos de calibre podem surgir na equação de movimento para átomos ultrafrios oticamente vestidos. Para que isto ocorra, estados escuros espacialmente dependentes são necessários a partir dos estados internos dos átomos. Átomos numa configuração de níveis de energia do tipo tripod produzem dois estados escuros degenerados, que podem levar a campos de calibre Abelianos U(1) U(1) ou não-Abelianos SU(2). Utilizando uma configuração adequada de lasers, mostramos que é possível se produzir um campo magnético sintético uniforme U(1) U(1) que atua nos átomos neutros fazendo-os se organizarem em níveis de Landau. A intensidade do campo efetivo depende da intensidade relativa dos feixes de luz na nuvem atômica. Estimamos a degenerescência dos níveis de energia para um gás atômico formado por átomos de 87Rb e estabelecemos as condições experimentais para que seja atingido o regime em que todos os átomos populam unicamente o nível de Landau menos energético. Considerando o limite de temperatura nula, verificamos o surgimento de oscilações magnéticas na energia e em sua derivada como uma função do inverso do campo magnético efetivo (efeito de Haas van Alphen). O período da oscilação magnética nos permite determinar a área do círculo de Fermi para o gás atômico através de uma expressão similar a de Onsager para sistemas eletrônicos. Mostramos também que dessintonizando um dos lasers em relação à ressonância de dois fótons geramos um potencial escalar parabólico que faz com os átomos sejam lateralmente confinados. Isto resulta na remoção da degenerescência dos níveis de Landau, uma vez que a energia depende explicitamente do momento atômico transverso. Demonstramos que, aplicando condições periódicas de contorno ao sistema, temos o surgimento de uma degenerescência residual. A degenerescência remanescente ocorre quando diferentes níveis de energia se superpõem. Mapeamos os pontos de degenerescência como uma função do campo magnético efetivo. Por fim, apresentamos um esquema experimental para a observação do efeito spin Hall para átomos ultrafrios em uma configuração tripod.