Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4949.pdf: 16389149 bytes, checksum: 00f177e5f61f15e60941174af0988803 (MD5) Previous issue date: 2012-02-15 / Financiadora de Estudos e Projetos / Le sujet de cette thèse est l étude de nanofils de cobalt dans une matrice d oxyde de cérium (CeO2) épitaxiée sur SrTiO3(001). L auto-assemblage de nanofils a été mis en évidence lors de la croissance de couches minces de CeO2 fortement dopées au cobalt par ablation laser pulsée. Le caractère métallique du cobalt a été vérifié par des mesures d absorption X au seuil K du cobalt réalisées au synchrotron. La formation de nanofils a été mise en évidence par des études de microscopie électronique en transmission en mode haute résolution et en mode dénergie filtrée. Ces études combinées montrent la formation de fils métalliques de Co dans la matrice, orientés le long de la direction de croissance, de longueur limitée par l épaisseur de la couche et de diamètre dans la gamme 3-7 nm. Ces nanofils constituent des systèmes modèles en nanomagnétisme. Deux assembles de fils (diamètre 3 nm et 5 nm) ont été étudiées en détail. La structure interne des fils a été déterminée par microscopie électronique et le renversement de l aimantation au moyen de mesures magnétiques statiques et dynamiques. L anisotropie magnétique de ces systèmes a été sondée par résonance ferromagnétique. Ces mesures et leurs interprétations ont permis de mettre en évidence la localisation du renversement de l aimantation dans les fils. Ce phénomne de localisation a été corrélé à la structure interne des fils, plus précisément à l existence de grains hexagonaux au sein desquels l anisotropie magnétocristalline est en compétition avec l anisotropie de forme. L ensemble de ces résultats a permis de corréler le comportement magnétique à la structure interne réelle de ces objets. / O objeto de estudo da presente tese é o estudo de nanofios de Cobalto auto-formados em matriz de Óxido de Cério (CeO2) epitaxiado sobre substrato de SrTiO3 (001). A formação espontânea de nanofios de Co metálico foi observada em filmes finos fortemente dopados produzidos por abação laser. O caráter metálico do cobalto presente no filme foi evidenciado através da análise de espectros de absorção de Raios-X na borda K do cobalto realizados no síncrotron SOLEIL. Aglomeração na forma de nanofios pôde ser comprovada através de microscopia eletrônica em transmissão de elétrons nos modos de alta resolução e de filtragem em energia. Combinando os resultados, chega-se a conclusão de formação de nanofios metálicos de Cobalto orientados paralelamente à direção de crescimento do filme com comprimento podendo alcançar até toda espessura do filme e com diâmetro entre 3 e 7 nm. Tais nanofios são sistemas modelos para estudo em nanomagnetismo. Propriedades de dois conjuntos de nanofios (com diâmetros de 3 e de 5 nm) foram detalhadamente estudadas. A estrutura interna foi determinada por microscopia eletrônica e a reversão de magnetização através de medidas estáticas e dinâmicas. A anisotropia magnética dos filmes foi investigada através de ressonância ferromagnética. A interpretação dos resultados permite evidenciar a localização da reversão de magnetização nos nanofios. O fenômeno de localização foi relacionado à estrutura interna dos nanofios, precisamente à existência de grãos de cobalto hcp, nos quais, as anisotropias de forma e magnetocristalina competem. O conjunto de resultados permitiu correlacionar o comportamento magnético com a estrutura real dos nanofios.

Since a decade, spintronics and related physics have attracted considerable attention due to the massive research conducted in these areas. The main reason for growing interest in these fields is the expectation to use the electrons spin instead of or in addition to the charge for the applications in spin-based electronics, quantum information, and quantum computation. A prime concern for these spins to be possible candidates for carrying information is the ability to coherently control them on the time scales much faster than the decoherence times. This thesis reports on the spin dynamics in two-dimensional electron gases hosted in artificially grown III-V semiconductor quantum wells. Here we present a series of experiments utilizing the techniques to optically control the spin polarization triggered by either optical or electrical methods i.e. well known pump-probe technique and current-induced spin polarization. We investigated the spin coherence in high mobility dense two-dimensional electron gas confined in GaAs/AlGaAs double and triple quantum wells, and, it\'s dephasing on the experimental parameters like applied magnetic field, optical power, pump-probe delay and excitation wavelength. We have also studied the large spin relaxation anisotropy and the influence of sample temperature on the long-lived spin coherence in triple quantum well structure. The anisotropy was studied as a function sample temperature, pump-probe delay time, and excitation power, where, the coherent spin dynamics was measured in a broad range of temperature from 5 K up to 250 K using time-resolved Kerr rotation and resonant spin amplification. Additionally, the influence of Al concentration on the spin dynamics of AlGaAs/AlAs QWs was studied. Where, the composition engineering in the studied structures allows tuning of the spin dephasing time and electron g-factor. Finally, we studied the macroscopic transverse drift of long current-induced spin coherence using non-local Kerr rotation measurements, based on the optical resonant amplification of the electrically-induced polarization. Significant spatial variation of the electron g-factor and the coherence times in the nanosecond scale transported away half-millimeter distances in a direction transverse to the applied electric field was observed. / Há uma década, a spintrônica e outras áreas relacionadas vêm atraindo considerável atenção, devido a enorme quantidade de pesquisa conduzidas por elas. A principal razão para o crescente interesse neste campo é a expectativa da aplicação do controle do spin do elétron no lugar ou em adição à carga, em dispositivos eletrônicos e informação e computação quânticas. A possibilidade destes spins carregarem informação depende, primeiramente, da habilidade de controlá-los coerentemente, em uma escala de tempo muito mais rápida do que o tempo de decoerência. Esta tese trata da dinâmica de spins em gases de elétrons bidimensionais, em poços quânticos de semicondutores III-V, crescidos artificialmente. Nós apresentamos uma série de experimentos, utilizando técnicas para o controle ótico da polarização de spin, desencadeadas por métodos óticos ou eletrônicos, ou seja, técnicas conhecidas de bombeio e prova e polarização de spin induzida por corrente. Nós investigamos a coerência de spin em gases bidimensionais, confinados em poços quânticos duplos e triplos de GaAs/AlGaAs e a dependência da defasagem com parâmetros experimentais, como campo magnético externo, potência ótica, tempo entre os pulsos de bombeio e prova e comprimento de onda da excitação. Também estudamos a grande anisotropia de relaxação de spin como função da temperatura da amostra, potência de excitação e defasagem entre bombeio e prova, medidos para uma vasta gama de temperatura, entre 5K e 250K, usando Rotação de Kerr com Resolução Temporal (TRKR) e Amplificação Ressonante de Spin (RSA). Além disso estudamos a influência da concentração de Al na dinâmica dos poços de AlGaAs/AlAs, para o qual a engenharia da composição da estrutura permite sintonizar o tempo de defasagem de spin e o fator $ g $ do elétron. Por fim, estudamos a deriva transversal macroscópica da longa coerência de spin induzida por corrente, através de medidas de Rotação de Kerr não-locais, baseadas na amplificação ressonante ótica da polarização eletricamente induzida. Observamos uma variação espacial significante do fator $ g $ e do tempo de vida da coerência, na escala de nanosegundos, deslocada distâncias de meio milímetro na direção transversa ao campo magnético aplicado.

[pt] Investigamos as propriedades de transporte de spin polarizado através de um ponto quântico conectado a dois terminais. A corrente elétrica que circula em nosso sistema pode ter sua polarização modulada através de um potencial de porta que controla o acoplamento spin-órbita (efeito Rashba). Nós estudamos o efeito de polarização do spin em um transistor constituído por um ponto quântico em que suas energias podem ser controladas através de um outro potencial de porta que opera apenas na região de confinamento. O alto grau de confinamento e correlação entre as cargas dão origem a fenômenos físicos interessantes que descreveremos neste trabalho. Nós demonstramos que através da manipulação de um potencial externo é possível controlar de uma maneira extremamente eficiente a intensidade e a polarização da corrente através do sistema. Outro parâmetro importante que iremos manipular para uma compreensão detalhada do sistema é o campo elétrico externo. Na segunda parte deste trabalho estudamos a evolução temporal da função de onda, suposta inicialmente como um pacote de onda circulando nosso sistema composto por um ponto quântico. Podemos comprovar efeitos de tunelamento ressonante e efeitos de interferência de nosso pacote inicial ao longo do tempo e, além disso, estudamos também efeitos de interação spin- órbita na polarização de nosso pacote de onda. / [en] We investigated spin polarized transport properties through a quantum dot connected with two terminals. An electric current that circulates in our system can have its polarization modulated with an external potential that controls the spin orbit coupling (Rashba effect). We studied the effect of spin polarization n a transistor constituted by a quantum dot where its energies can be controlled with a gate potential that operates only in the confinement region. The high confinement and correlation between the charges give rises to interesting phenomena that we describe in this work. We demonstrate that tuning an external potential it is possible to control with a extremely efficient precision the intensity and the polarization of the current through this system. Another important parameter that we used to better understand this system was the external electric field. In the second part of this work, we studied the time evolution of a wave function supposed to be initially a wave package circulating our system composed by a quantum dot. We can prove resonant tunneling effects and interference effects in such a wave package as time goes by and we also studied spin orbit interaction effects on the polarization of the carrier.

Since a decade, spintronics and related physics have attracted considerable attention due to the massive research conducted in these areas. The main reason for growing interest in these fields is the expectation to use the electrons spin instead of or in addition to the charge for the applications in spin-based electronics, quantum information, and quantum computation. A prime concern for these spins to be possible candidates for carrying information is the ability to coherently control them on the time scales much faster than the decoherence times. This thesis reports on the spin dynamics in two-dimensional electron gases hosted in artificially grown III-V semiconductor quantum wells. Here we present a series of experiments utilizing the techniques to optically control the spin polarization triggered by either optical or electrical methods i.e. well known pump-probe technique and current-induced spin polarization. We investigated the spin coherence in high mobility dense two-dimensional electron gas confined in GaAs/AlGaAs double and triple quantum wells, and, it\'s dephasing on the experimental parameters like applied magnetic field, optical power, pump-probe delay and excitation wavelength. We have also studied the large spin relaxation anisotropy and the influence of sample temperature on the long-lived spin coherence in triple quantum well structure. The anisotropy was studied as a function sample temperature, pump-probe delay time, and excitation power, where, the coherent spin dynamics was measured in a broad range of temperature from 5 K up to 250 K using time-resolved Kerr rotation and resonant spin amplification. Additionally, the influence of Al concentration on the spin dynamics of AlGaAs/AlAs QWs was studied. Where, the composition engineering in the studied structures allows tuning of the spin dephasing time and electron g-factor. Finally, we studied the macroscopic transverse drift of long current-induced spin coherence using non-local Kerr rotation measurements, based on the optical resonant amplification of the electrically-induced polarization. Significant spatial variation of the electron g-factor and the coherence times in the nanosecond scale transported away half-millimeter distances in a direction transverse to the applied electric field was observed. / Há uma década, a spintrônica e outras áreas relacionadas vêm atraindo considerável atenção, devido a enorme quantidade de pesquisa conduzidas por elas. A principal razão para o crescente interesse neste campo é a expectativa da aplicação do controle do spin do elétron no lugar ou em adição à carga, em dispositivos eletrônicos e informação e computação quânticas. A possibilidade destes spins carregarem informação depende, primeiramente, da habilidade de controlá-los coerentemente, em uma escala de tempo muito mais rápida do que o tempo de decoerência. Esta tese trata da dinâmica de spins em gases de elétrons bidimensionais, em poços quânticos de semicondutores III-V, crescidos artificialmente. Nós apresentamos uma série de experimentos, utilizando técnicas para o controle ótico da polarização de spin, desencadeadas por métodos óticos ou eletrônicos, ou seja, técnicas conhecidas de bombeio e prova e polarização de spin induzida por corrente. Nós investigamos a coerência de spin em gases bidimensionais, confinados em poços quânticos duplos e triplos de GaAs/AlGaAs e a dependência da defasagem com parâmetros experimentais, como campo magnético externo, potência ótica, tempo entre os pulsos de bombeio e prova e comprimento de onda da excitação. Também estudamos a grande anisotropia de relaxação de spin como função da temperatura da amostra, potência de excitação e defasagem entre bombeio e prova, medidos para uma vasta gama de temperatura, entre 5K e 250K, usando Rotação de Kerr com Resolução Temporal (TRKR) e Amplificação Ressonante de Spin (RSA). Além disso estudamos a influência da concentração de Al na dinâmica dos poços de AlGaAs/AlAs, para o qual a engenharia da composição da estrutura permite sintonizar o tempo de defasagem de spin e o fator $ g $ do elétron. Por fim, estudamos a deriva transversal macroscópica da longa coerência de spin induzida por corrente, através de medidas de Rotação de Kerr não-locais, baseadas na amplificação ressonante ótica da polarização eletricamente induzida. Observamos uma variação espacial significante do fator $ g $ e do tempo de vida da coerência, na escala de nanosegundos, deslocada distâncias de meio milímetro na direção transversa ao campo magnético aplicado.

[pt] Esta tese investiga as propriedades eletrônicas de sistemas nanoscópicos com interações de muitos corpos, dando origem ao efeito Kondo. Primeiramente estudamos a transição SU(4)-SU(2) devido a um campo magnético externo e as propriedades de filtro de spin de um nanossistema de dois pontos quânticos capacitivamente acoplados. A transição é caracterizada pela diferença entre as polarizações de spin da ocupação eletrônica nos dois pontos quânticos, como uma função do potencial de porta aplicado sobre os pontos quânticos. Apesar do fato de que o campo magnético externo quebra a simetria SU(4) do Hamiltoniano, o estado fundamental a preserva, como uma propriedade emergente, na região do espaço de parâmetros onde os elétrons não estão polarizados. As propriedades de filtro de spin devido à população eletrônica spin polarizada nos pontos quânticos também é discutida. Estas propriedades são estudadas usando o formalismo dos operadores de projeção, que descreve de forma muito acurada a física associada ao estado fundamental dos sistemas Kondo. No capítulo subsequente, analisamos os efeitos da interação spin-órbita num ponto quântico conectado a contatos, representados pelo modelo da impureza de Anderson no efeito Kondo. Contrariamente ao resultado prévio de vários outros autores, nós mostramos que a interação spin-órbita reduz exponencialmente a temperatura Kondo enquanto a ação da interação no próprio ponto quântico pode ser um mecanismo de destruição do regime Kondo, conforme quebra a simetria SU(2). Usando o modelo de Anderson com acoplamento spin-órbita nós propomos um transistor de spin feito de um ponto quântico conectado a uma nanofaixa submetida à interação spin-órbita Rashba, depositada sobre um substrato ferromagnético. O ponto quântico também é conectado a dois contatos metálicos laterais, através do qual a corrente flui ao longo do sistema. A interação spin-órbita Rashba cria um mecanismo de inversão do spin no ponto quântico. Nós mostramos que o sistema é capaz de operar como um transistor de spin. / [en] This thesis investigates the electronic properties of nanoscopic systems under the presence of many body interactions, given rise to the Kondo effect. Firstly we studied the SU(4)-SU(2) crossover driven by an external magnetic field and the spin-filter properties of a capacitively coupled double quantum dot nanosystem. The crossover is characterized by the difference between the spin polarization of the electronic occupation at the double quantum dot, as a function of the gate potential applied to the quantum dots. Despite the fact that the external magnetic field breaks the SU(4) symmetry of the Hamiltonian, the ground state preserves it, as an emergent property, in a region in the parameter space where the electron are not polarized. The spinfilter properties due the spin polarized electronic population at the dots is also discussed. These properties are studied using the projector projection operator approach, which describes very accurately the physics associated to the ground state of Kondo systems. In a subsequent chapter, we analyze the effect of the spin-orbit interaction in a quantum dot connected to leads, represented by the Anderson impurity model on the Kondo effect. Contrary to several other authors previous results, we show that the Rashba spin-orbit interaction exponentially reduces the Kondo temperature while the action of the interaction on the quantum dot itself could be a mechanism of destroying the Kondo regime, as it breaks SU(2) symmetry. Using the Anderson model with spin-orbit coupling we propose a spin transistor device made of a quantum dot connected to a Rashba spinorbit interacting nanoribbon, deposited on a ferromagnetic substrate. The quantum dot is also connected to two lateral metallic contacts, through which the current flows along the system. The Rashba spin-orbit interaction creates a spin-flip mechanism at the quantum dot. We show that the system is capable of operating as a spin-transistor.