Thesis (M.S.E.C.E.)--University of Delaware, 2009. / Principal faculty advisors: Ian Appelbaum and James Kolodzey, Dept. of Electrical & Computer Engineering. Includes bibliographical references.

We present a novel method of in situ magnetic field mapping related to the Hanle effect. This method uses the change in spatial radiation pattern of scattered light, which we call a 'directional Hanle effect,' rather than the loss of polarization more commonly associated with the Hanle effect. It is particularly well suited for fields in a magneto-optical trap (MOT), requiring only the addition of a narrow slit and a camera to typical MOT components. The use of this method is demonstrated by measuring the gradient through, and location of, the zero-point of the field in our strontium MOT.

Nous avons étudié la création, manipulation et détection d’accumulation de spin hors-équilibre dans l’hétérostructure d’oxydes non-magnétique LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO), hôte d’un système d’électron quasi-bidimensionnel (q2DES). Combiné à des expériences d’injection de spin, nous employons l’effet Hanle (à 3 terminaux) pour sonder l’amplitude de l’accumulation de spin dans des jonctions tunnel Co/LAO/STO. Nous observons une large amplification du signal de spin, attribuée à des processus d’effet tunnel séquentiel préservant le spin via des états localisés avec des longs temps de vie de spin. Une importante modulation du signal de spin par effets de champ électrique atteste de la création d’accumulation de spin au sein même du q2DES. Nous avons utilisé la technique de pompage de spin en cavité, induite par résonance ferromagnétique d’une couche de permalloy, pour générer un courant de spin à l’interface LAO/STO, lequel est converti en un large courant de charge au sein du q2DES. Nous l’attribuons à un effet Edelstein inverse, dérivant d’une interaction spin-orbite de type Rashba. Lesquels sont efficacement modulés par effets de champ. Ainsi, nos résultats permettent d’étendre le champ d’intérêt depuis le transport de charge planaire vers l’exploration de phénomènes dépendant du spin dans un canal conducteur prototypique d’oxydes non-magnétique. Nous avons par ailleurs démontré que l’épaisseur critique pour l’observation d’un q2DES à l’interface LAO/STO peut être réduite à une monocouche de LAO en recourant à une variété de couches métalliques. Cela ouvre un nouveau champ d’investigation pour tenter d’identifier les potentiels mécanismes à l’origine de la formation du q2DES. / We investigated the generation, manipulation, and detection of non-equilibrium spin accumulation in the nonmagnetic LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO) oxide heterostructure, which is the host of a quasi-two-dimensional electron system (q2DES). In electrical tunneling spin injection experiments, we made use of the (three-terminal) Hanle effect to probe the magnitude of spin accumulation at Co/LAO/STO interfaces. We report on large amplification effects of the spin signal, ascribed to spin-conserving sequential tunneling processes via localized electronic states of enhanced spin lifetimes. A substantial modulation of the spin signal, by electrostatic field-effect, evidences the successful generation of spin accumulation inside the q2DES. We further resorted to ferromagnetic resonance experiments in a cavity to adiabatically pump a spin current from a permalloy layer toward the LAO/STO interface. We find that the generated spin current is converted into a sizeable planar charge current within the q2DES. This is attributed to an inverse Edelstein effect deriving from a Rashba-like spin-orbit interaction, both of which are efficiently modulated by electrostatic field-effect. Hence, our findings expand the general field of interest from planar charge transport to the exploration of spin-dependent phenomena in a prototypical nonmagnetic conducting oxide channel. Additionally, we have also demonstrated that the critical thickness threshold for the onset of a q2DES at LAO/STO interfaces can be reduced to a single unit cell of LAO when resorting to various metal capping layers. It opens up a new field of investigation to tentatively identify the potential mechanisms driving the formation of the q2DES.

This paper focuses on the polarized profiles of resonance scattering lines that form in magnetized disks. Optically thin lines from Keplerian planar disks are considered. Model line profiles are calculated for simple field topologies of axial fields (i.e., vertical to the disk plane) and toroidal fields (i.e., purely azimuthal). A scheme for discerning field strengths and geometries in disks is developed based on Stokes Q − U diagrams for the run of polarization across line profiles that are Doppler-broadened by the disk rotation. A discussion of the Hanle effect for magnetized disks in which the magnetorotational instability (MRI) is operating is also presented. Given that the MRI has a tendency to mix the vector field orientation, it may be difficult to detect the disk fields with the longitudinal Zeeman effect, since the amplitude of the circularly polarized signal scales with the net magnetic flux in the direction of the observer. The Hanle effect does not suffer from this impediment, and so a multi-line analysis could be used to constrain field strengths in disks dominated by the MRI.

Aims: This paper extends previous studies in modeling time varying linear polarization due to axisymmetric magnetic fields in rotating stars. We use the Hanle effect to predict variations in net line polarization, and use geometric arguments to generalize these results to linear polarization due to other mechanisms. Methods: Building on the work of Lopez Ariste et al., we use simple analytic models of rotating stars that are symmetric except for an axisymmetric magnetic field to predict the polarization lightcurve due to the Hanle effect. We highlight the effects for the variable line polarization as a function of viewing inclination and field axis obliquity. Finally, we use geometric arguments to generalize our results to linear polarization from the weak transverse Zeeman effect. Results: We derive analytic expressions to demonstrate that the variable polarization lightcurve for an oblique magnetic rotator is symmetric. This holds for any axisymmetric field distribution and arbitrary viewing inclination to the rotation axis. Conclusions: For the situation under consideration, the amplitude of the polarization variation is set by the Hanle effect, but the shape of the variation in polarization with phase depends largely on geometrical projection effects. Our work generalizes the applicability of results described in Lopez Ariste et al., inasmuch as the assumptions of a spherical star and an axisymmetric field are true, and provides a strategy for separating the effects of perspective from the Hanle effect itself for interpreting polarimetric lightcurves.

Plusieurs technologies de magnétomètres atomiques ont été développées depuis les années 60. Afin d’obtenir une technologie capable de mesurer des champs magnétiques inférieurs à 50 nT et compatible avec notre magnétomètre scalaire isotrope, nous avons du concevoir un magnétomètre atomique dans une configuration qui n'a jamais été publiée.Nous avons calculé les résonances caractéristiques de ce magnétomètre et réalisé un prototype. Son bruit est inférieur à 1 ou 0.1 pT/√Hz, respectivement pour les versions tri axiales ou mono-axiales.Une façon de réduire le bruit du magnétomètre de 7 dB a été identifiée et le principe de ce magnétomètre pourrait offrir d’intéressantes perspectives pour les horloges atomiques. / Several technologies of atomic magnetometers have been developed since the60s. To obtain a technology capable of measuring magnetic fields lower than 50 nT and compatible with our isotropic scalar magnetometer, we had todevelop an atomic magnetometer in a configuration that has never been published.We calculated the resonances characteristic of the magnetometer with the formalism of the dressed atom and realized a prototype. The noise of the resulting magnetometer is lower than 1 or 0.1 pT/√Hz, on the monoaxial or triaxial versions respectively.One way to reduce the noise of the magnetometer of 7 dB has been identified and the principle of this magnetometer could offer interesting perspectives for atomic clocks.

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Cette thèse porte sur l’étude des courants de spin et de l’effet Hall de spin dans des nanostructureslatérales. Des vannes de spin latérales Py/Al, Py/Cu et Py/Au, ont été fabriquées parlithographie électronique, puis optimisées et caractérisées par des mesures de magnéto-transport.Des mesures non locales, de GMR, et d’effet Hanle ont ainsi été enregistrées à 300K et 77K. De l’optimisation des vannes de spin latérales a découlé l’observation de fortes amplitudes designal de spin. De plus, les effets du confinement latéral et vertical de l‘accumulation de spin,par utilisation d’un canal non-magnétique confiné ou de barrières tunnel AlOx, ont été mis enévidence expérimentalement et décrits théoriquement. Des simulations par éléments finis et desanalyses basées sur les modèles de diffusion 1D ont été développées, permettant l’extraction de lapolarisation effective Peff et de la longueur de diffusion de spin lNsf des données expérimentales.Enfin, l’effet Hall de spin dans des matériaux à fort angles de Hall (Pt, aliage d’Au) a étéétudié dans des hétérostructures latérales et par pompage de spin à la résonance ferromagnétique. / This PhD thesis focus on the study of spin currents and of the spin Hall effect in lateralnano-structures. Lateral spin-valves based on Py/Al, Py/Cu and Py/Au, fabricated by meansof electron-beam lithography, have been optimized and characterized using magneto-resistancemeasurements. Non-local, GMR and Hanle effect measurements have been recorded at 300K and77K. The optimization of these lateral spin-valves allowed the observation of high spin signalamplitudes. Lateral and vertical confinement effects on the spin accumulation, by using confinednon-magnetic channel and AlOx tunnel barriers, were evidenced experimentally and describedtheoretically. Finite Elements Method simulations and analyses based on a 1D diffusion modelhave been developed, allowing the extraction from our experimental data of the effective spinpolarization Peff and of the spin diffusion length lNsf .Finally, the spin Hall effect of materials with high spin Hall angles (Pt, Au alloys) has beenstudied using both hybrid lateral nano-structures and spin pumping ferro-magnetic resonance.