Le développement des lasers impulsionnels a permis l’émergence de l’étude de la dynamique de l’aimantation dans le domaine temporel (fs-ns) par des techniques optiques. Dans les couches minces ferromagnétiques présentant une faible absorption optique les mécanismes de couplage de la lumière avec les propriétés magnétiques permettant l’excitation de la précession de l’aimantation et sa détection ne sont qu’imparfaitement connus. Pour développer leur compréhension il est nécessaire de faire varier les paramètres magnétiques. Les alliages semi-conducteurs ferromagnétiques sont pour cela des matériaux de choix du fait de leurs propriétés magnétiques aisément ajustables grâce au couplage entre les propriétés semi-conductrices et magnétiques. Les conditions pour une excitation optimale ont été précisées. L’excitation par une variation thermique transitoire des constantes d’anisotropie a été quantifiée. Le rôle de l’absorption et du déphasage optique dans la détection a été établi. L’observation de plusieurs ondes de spin a permis la détermination de la constante d’échange en fonction de la concentration en phosphore. J’ai montré que celle-ci variait peu, contrairement aux prédictions théoriques. / Development of impulsional laser enhanced the study of the magnetization dynamic in the temporal domain (fs-ns) with optical techniques. In thin ferromagnetic films with a weak optical absorption, excitation and optical mechanisms are not yet fully understood. To increase our understanding, variations of magnetic parameters are required. To that end, the magnetic semiconductor like (Ga,Mn)(As,P) are a good choice due to their magnetic properties easily adjustable thanks to the coupling between magnetic and semiconductor properties. In this thesis, conditions for optimal excitations were established. Supposing a thermal excitation origin, we assessed the transient change of temperature and anisotropy constant. I also established the role of the optical absorption and dephasing due to the finite magnetic layer thickness in the spin-waves detection process. The observation of several spin-waves gave me the opportunity to assess the spin-stiffness constant as a function of phosphorus. On the contrary of theoretical prediction, I showed that the spin-stiffness hardly vary with the phosphorus concentration.

Popis magnetodynamických vlastností nanomagnetů a nanostrukturovaných magnetických materiálů vyžaduje metody vhodné pro zkoumání typické časové odezvy těchto systémů, tj. v řádu nanosekund a méně. Nedostatek technik, vhodných právě pro charakterizaci v časové doméně, je spojen s možnostmi současné elektroniky. Další možný přístup, jak popsat vlastnosti nanomagnetů, je charakterizace ve frekvenční doméně v pásmu GHz. Nejrozšířenější technikou charakterizace ve frekvenční doméně je měření feromagnetické rezonance (FMR). Ze spekter FMR lze získat cenné informace o systému: parametr tlumení, saturační magnetizace atd. Metoda, kterou využíváme k detekci excitací spinových vln, má za cíl zjednodušení charakterizace. Využíváme termoelektrickou detekci spinových vln v magnetických drátech prostřednictvím anomálního Nernstova jevu. Metoda je založena na disipaci tepla uvnitř magnetické vrstvy v důsledku útlumu spinových vln, a proto dochází k vytvoření teplotního gradientu směrem k substrátu (kolmo k povrchu). To vede k vytvoření elektrického pole kolmého jak na teplotní gradient, tak na směr magnetizace. Napětí je obvykle v řádu V, proto může být měřeno obvyklým laboratorním vybavením. Navzdory své jednoduchosti poskytuje tato metoda velmi zajímavé výsledky a může být použita pro charakterizaci magnonických vlnovodů, magnonických metamateriálů, emitorů spinových vln a dalších zařízení, pracujících se spinovými vlnami.

Magnonika je novým odvětvím výzkumu, který se zabývá fyzikou spinových vln. Magnonika jako vědní obor nabízí nové možnosti například v nediskrétních výpočtech na základě vlnového charakteru spinových vln. Při výrobě magnonických prvků klasickými metodami není možné příliš měnit charakter materiálů, ze kterých jsou jednotlivé prvky vyrobeny. Tento fakt silně omezuje univerzálnost vyrobených struktur. Cílem této práce je aplikovat nový typ materiálu do oboru magnoniky. Specifikum daného materiálu je možnost zápisu magnetických struktur pomocí iontového svazku. Ukazuje se, že tyto struktury mají velice zajímavé magnetické vlastnosti, které lze velice přesně řídit právě strategií ozařování iontovým svazkem. Na základě fázově rozlišené Brillouinovy spektroskopie jsme získali disperzní relaci spinových vln v tomto systému a tím i důležité parametry systému. Pozorování podkládáme mikromagnetickými simulacemi a analytickými modely. Vlastnosti systému pro magnonické aplikace prezentujeme na třech prototypických sadách struktur, které nelze vyrobit pomocí klasických materiálů.

Zařízení založená na spinových vlnách mají potenciál být využita ve výpočetní technice s nízkou spotřebou energie. Pro úspěšné využití je samozřejmě potřeba spojit více takových zařízení na jednom čipu, součástí čehož musí být zatáčení spinových vln zahnutými vlnovody. Problém zatáčení spinových vln v dipolárně výměnném režimu zatím nebyl uspokojivě vyřešen, vyzkoušené přístupy vedly ke ztrátě intenzity a fázové koherence. V této diplomové práci jsme zkoumali dva systémy, které by mohly být využity k zatáčení spinových vln. Prvním z nich jsou tenké metastabilní vrstvy slitiny železa a niklu. Paramagnetická metastabilní fcc vrstva, která byla epitaxně narostena na substrátu z mědi, může být transformována do stabilní ferromagnetické bcc fáze pomocí fokusovaného iontového svazku. Tato technika nám dává prostorovou kontrolu nad transformačním procesem a strategie skenování svazkem nám dokonce umožňuje určit směr mangetické anisotropie. Magnetické vlastnosti struktur vytvořených touto metodou a lom spinových vln mezi doménami s odlišným směrem magnetické anisotropie byly změřeny pomocí mikroskopie Brillouinova rozptylu světla. Druhým zkoumaným systémem jsou zvlněné vlnovody, jejichž zvlnění indukuje magnetickou anisotropii. Zvlnění magnetické vrstvy je vytvořeno depozicí nemagnetických vlnek na substrátu indukovanou fokusovaným elektronovým svazkem a následnou depozicí magnetického materiálu. Byly vyrobeny různé návrhy zatočených zvlněných vlnovodů a změřili jsme šíření spinových vln jejich zatáčkami pomocí mikroskopie Brillouinova rozptylu světla. Využili jsme také mikromagnetické simulace pro získání hlubšího porozumění zkoumané problematiky a pro hledání vhodných návrhů experimentů.

No description available.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Ionenimplantation auf die Materialeigenschaften verschiedener magnetischer Probensysteme. Durch die Implantation mit Ionen kann man auf vielfältige Art und Weise die Eigenschaften von magnetischen Materialien modifizieren und maßschneidern, so zum Beispiel die Sättigungsmagnetisierung und die magnetische Anisotropie. Aus der Untersuchung von drei verschiedenen Probensystemen ergibt sich die Dreigliederung des Ergebnisteils. Im ersten Teil der Arbeit, dem Hauptteil, wird die Strukturierung von Permalloyschichten durch Ionen und der Einfluss auf den anisotropen Magnetowiderstand (AMR) untersucht. Der AMR ist direkt abhängig von der Ausrichtung der Magnetisierung eines Materials zum angelegten Strom. Um die Magnetisierungsrichtung sichtbar zu machen wurde ein Kerrmikroskop benutzt. Dieses wurde im Rahmen dieser Arbeit technisch erweitert um gleichzeitig auch den AMR messen zu können. Damit war es erstmalig möglich den AMR und die magnetischen Domänenkonfigurationen direkt zu vergleichen. Durch eine weitere Modifikation des Kerrmikrosops ist es möglich quantitative Bilder eines kompletten Ummagnetisierungsvorganges zu messen. Es konnte gezeigt werden, dass der berechnete AMR des Bildausschnittes mit dem gemessenen übereinstimmt. Der AMR ist abhängig von der Streifenbreite, der Streifenausrichtung zum Strom, der Stärke der induzierten Anisotropie, dem angelegten Feldwinkel und der Sättigungsmagnetisierung. Im Fall von schmalen Streifen führt das zweistufige Schalten zu einem AMR-Maximum, wenn die Streifen mit der niedrigeren Sättigungsmagnetisierung geschaltet haben. Das Zusammensetzen der Streifenstruktur ermöglicht es den AMR gezielt zu manipulieren. Bei geringer induzierter Anisotropie sind verschiedene komplexe Domänen messbar, welche sich in einem asymmetrischen AMR widerspiegeln. So kann der AMR auf vielfältige Weise manipuliert und deren Abhängigkeit von den magnetischen Domänen mittels Kerrmikroskopie gemessen werden. Im zweiten Teil wurde die Erzeugung eines Anisotropiegradienten durch Ionenimplantation in einem Speichermedium untersucht. Hierbei handelt es sich um eine Kooperation mit Peter Greene (University of California Davis) und Elke Arenholz (Lawrence Berkeley Laboratory). Nachdem die Ionenverteilung in dem Material mit TRIDYN simuliert wurde, erfolgte eine Implantation in die oberen Schichten der Co/Pd Multilagen. Dieses hat eine Veränderung der magnetischen Anisotropie zur Folge. Die Ummagnetisierungskurven sind mit dem polaren magnetooptische Kerreffekt (polaren MOKE) und Vibrationsmagnetometrie vermessen worden. Außerdem fand eine Strukturanalyse mit Röntgenreflektrometrie und Röntgendiffraktometrie statt. Die abschließende Beurteilung des Schaltverhaltens erfolgte durch die Auswertung der Ummagnetisierungskurven erster Ordnung. Es ist uns gelungen die oberen Schichten durch die Implantation weichmagnetisch zu machen. Die darunterliegenden Schichten sind noch hartmagnetisch und das Material zeigt textit{exchange spring} Verhalten. Es erfüllt somit die Voraussetzungen, um als Speichermedium genutzt zu werden. Damit konnte erfolgreich gezeigt werden, dass man mit Ionenimplantation einen Anisotropiegradienten in einem Speichermedium erzeugen kann und dadurch das gewünschte Schaltverhalten erzeugt. Im dritten Teil, in einem Projekt mit Björn Obry (TU Kaiserslautern), geht es um die Erzeugung eines Spinwellenleiters und eines magnonischen Kristalls durch die Ionenimplantation in Permalloy. Zur Herstellung des Spinwellenleiters und des magnonischen Kristalls macht man sich die lokale Reduzierung der Sättigungsmagnetisierung durch die Implantation zu nutze. Es wurden Messungen mit dem polaren MOKE gemacht. Die Spinwellencharakterisierung ist mit dem Brillouin-Lichtstreumikroskop durchgeführt worden. Es war möglich die Ionenimplantation zur Herstellung eines magnonischen Kristalls und eines Spinwellenleiters zu nutzen. Das Verändern von magnetischen Materialeigenschaften durch Implantation eröffnet somit verschiedene Möglichkeiten. Mit Ionenimplantation kann man Permalloy so strukturieren, dass man den AMR gezielt manipulieren kann. Außerdem wurde Ionenimplantation genutzt um einen Anisotropiegradienten in einem Speichermedium zu erzeugen. Durch diesen Anisotropiegradient konnte das Schaltverhalten gezielt modifiziert werden. Mit Hilfe von Ionenimplantation kann man auch ein magnonisches Kristall und einen Spinwellenleiter herstellen. / This thesis deals with magnetic modification of ferromagnetic films by ion implantation, such as induced changes of the magnetic anisotropy and changes in the saturation magnetization. Three different sample structures were investigated. Therefore the result section is divided into three parts. The influence of ion induced magnetic patterning on the anisotropic magnetoresistance (AMR) is investigated in the first part. The AMR directly depends on the angle between the applied current and the magnetization of the material. To investigate this relationship a Kerr microscopy,for observing the magnetic domains was combined with resistance measurements. The measurements were performed on stripe patterned permalloy samples. This is the main part of the thesis. The creation of an anisotropy gradient in a storage media by ion implantation is the topic of the second part. It was a collaborative project with Peter Greene (University of California Davis) and Elke Arenholz (Lawrence Berkeley Laboratory). The goal was to create a magnetic anisotropy gradient by introducing ions in the upper layer of the Co/Pd- multilayer. After TRIDYN simulations of the ion distribution, the implantation was performed and the magnetization curves were measured with polar magneto-optical Kerr effect and vibrating sample magnetometry. In addition to this, structural characterization was carried out by x-ray reflection and x-ray diffraction measurements. For the final determination of the switching behavior first order reversal curves were analyzed. The aim of the third part was to create a spin wave guide and a magnonic crystal by local ion implantation. In this project with Björn Obry (TU Kaiserslautern) the characteristic of the ions to reduce the saturation magnetization in permalloy was used and the effect on the spin wave propagation was analyzed. Polar MOKE was performed to determine the saturation magnetization. Brillouin light scattering microscopy was used to analyze the spin wave behavior inside the material.

O formalismo matemático da teoria das ondas de spin é analisado. A equivalência entre as transformações de Dyson-Malleev e Holstein-Pr imakoff é demonstrada. Os problemas envolvendo a interação cinemática são discutidos em detalhe. Uma nova divisão do Hamiltoniano de Heisenberg, desenvolvida no espaço de configuração, é usada para estudar a interação dinâmica entre as ondas de spin a baixa temperatura e para grandes valores do número quântico de spin S. Assumindo que a restrição cinemática pode ser neglicenciada, a expansão da energia livre é desenvolvida em potências da temperatura e os resultados estão em acordo com os de Dyson. A relevância da aproximação diagonal de Mattis é demonstrada. Usando o método da positividade por reflexão, limites superiores e inferiores para a contribuição da energia livre são encontrados. Dentro de certa aproximação, estes limites significam que a interação dinâmica pode ser neglicenciada caso o inverso da temperatura (=1/KT), eo número quântico de spin S, forem grandes o suficiente, porém com dependente de S nestas estimativas. Este fato, que não ocorre no limite clássico, é uma característica na região das ondas de spin. / The mathematical formalismo f the spin wave theory is analysed. The thermodynamical equivalence between the Dyson-Malleev and Holstein-Primakoff transformations is proved. The problems involving the kinematical interaction are also discussed in detail. A new splitting of the Heisenberg Hamiltonian, perfomed in configuration space, is used to study the spin wave dynamical interaction at low temperature and for large values of the spin quantum number S. Assuming the the kinematical restriction may be lifted, a low temperature espansion of the free energy is developed with results in agreement with Dysons. The relevance of the Mattis diagonal approximation for the dynamical interaction is demonstrated. Using the method of reflection positivity, upper and lower bounds to the contribuition of the dynamical interaction to the free energy are provided. In a certain approximation, these bounds mean that the dynamical interaction may be dropped IF the inverse temperature (=1/KT) and the spin quantum number S are large enough but depends on S in the estimates, a novel feature wich does not occur in the classical limit but is characteristic of the spin-wave limit.

Orientadores: Roberto Luzzi, Áurea Rosas Vasconcellos / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-10-31T13:25:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vannucchi_FabioStucchi_D.pdf: 4583166 bytes, checksum: 8617f375a632ae1e33b0c986862ea535 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma teoria sobre a termodinâmica de não-equilíbrio de mágnons excitados por fonte externa e em contato com um banho térmico. A teoria é aplicada ao recém observado acúmulo de mágnons nos estados de mínima freqüência em experimentos com filmes finos magnetizados de granada de ferro-ítrio afastados do equilíbrio via fonte de radiação de microondas. Seguindo um formalismo de ensembles estatísticos de não-equilíbrio, a partir do hamiltoniano do sistema magnético são obtidas as equações de evolução para as variáveis termodinâ­micas. Entre estas equações, as que descrevem a evolução das populações médias de mágnons são estudadas em detalhe e atenção especial é dada às contribuições não- lineares. Mostra-se que, por um lado, o termo não-linear proveniente da interação do sistema magnético com a rede cristalina transfere energia das populações dos modos de alta freqüência para os de baixa, gerando um acúmulo nos modos de mínima fre­qüência - o Efeito Fröhlich. Por outro lado, a interação mágnon-mágnon origina uma contribuição à evolução das populações que tende a termalizar o sistema em termos de uma temperatura de não-equilíbrio. É ainda utilizada uma ¿modelagem de dois flui­dos¿, em que as equações cinéticas das populações de mágnons associadas a todos os modos são contraídas em apenas duas, que representa os modos de mínima freqüência e aqueles alimentados. Esta modelagem permite estudar quantitativamente a evolução temporal do sistema via integração numérica. Constata-se que, para um determinado intervalo de taxas de alimentação, forma-se o condensado devido ao Efeito Fröhlich. Para valores mais altos da potência da fonte de alimentação, a contribuição devido à interação entre mágnons torna-se dominante e a formação do condensado é inibida. Por fim, os diversos processos de relaxação do condensado para o equilíbrio são investigados em função do valor da fonte externa do sistema / Abstract: The purpose of this work is to develop a nonequilibrium thermodynamic theory on rnagnons excited by an external pumping source embedded in a thermal bath. This the­ory is applied to the recently observed experiments with magnetic thin films of yttrium iron garnet driven out of equilibrium through microwave radiation pumping. Resorting to a Non-Equilibrium Statistical Ensemble Formalism, the evolution equations for the magnon populations are obtained and studied. The nonlinear contribution arising out of the spin-lattice interaction transfers the energy in excess of equilibrium from the pumped frequency modes to the lower frequency ones, and, in a cascade down process, occurs a large grow in the magnon populations of the lowest in frequency modes - a phenomenon we call Frohlich Effect. In opposition to this contribution, there is anot her one, generated by the magnon-magnon interaction, that tends to lead the system to a state of internal nonequilibrium thermalization. We introduce a modeling consisting in a kind of ¿two-fluid model", in which the kinetic equations for the magnon populations are contracted in only two, representing the modes lowest in frequency and the ones that are pumped by the external source. A quantitative study is performed through numerical integration of the two related evolution equations. The emergence of the condensate, due to the Frohlich Effect, is evidenced for a range of source power. For higher feeding taxes, the contribution originated by the magnon-magnon interaction becomes dominant and the emergence of the condensate is inhibited. Finally, the sev­eral relaxation processes in the condensate leading to equilibrium are analyzed in terms of the source power / Doutorado / Física Estatistica e Termodinamica / Doutor em Ciências

Cette thèse porte sur l'étude des ondes de spin dans des puits quantiques CdMnTe dopés n, par rotation Kerr résolue en temps (TRKR) et par mélange à quatre ondes (FWM). Nous avons étudié trois échantillons de haute mobilité et de caractéristiques différentes.La technique TRKR donne accès uniquement aux excitations de vecteur d'onde nul, dans notre cas l'onde spin-flip en q=0. Nous avons étudié l'anticroisement qui apparait entre l'onde spin-flip et l'excitation spin-flip des ions manganèse. Nous avons étudié la variation du gap, et donc de l'énergie de couplage, entre ces modes en fonction de la puissance d'excitation et du champ magnétique. En particulier nous avons étendu les mesures des modes mixtes à plus basse concentration en Mn (jusqu'à 0.07%) et contrairement à ce qui était attendu, nous avons trouvé que le régime de couplage fort persiste à cette concentration.Nous nous sommes ensuite intéressés à la détermination de la polarisation en spin ζ du gaz d'électrons bidimensionnel, qui peut être déduite de l'énergie de couplage entre les modes mixtes. Nous avons trouvé que la polarisation mesurée par cette méthode excède la polarisation théorique calculée en prenant en compte le renforcement de la susceptibilité par les effets à N corps. Nous avons également mesuré les temps de relaxation des électrons confinés dans le puits quantique, et nous avons montré l'influence de l'échauffement de l'échantillon par le laser sur le temps de relaxation de spin des électrons.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié par FWM l'amortissement et la dispersion des ondes de spin de vecteur d'onde non nul pour l'un de nos échantillons. Nous avons démontré qu'on peut effectivement générer les ondes de spin en excitation femtoseconde, et les détecter en FWM. Nous avons trouvé que leur dispersion est plus faible que celle observée dans les expériences de Raman. Cette faible dispersion pourrait être imputable à la forte densité d'excitation utilisée dans les expériences de FWM (typiquement trois à quatre ordres de grandeur supérieurs à celle du Raman), et/ou au fait que deux ondes de vecteur d'ondes q et –q, ayant des dispersions différentes, sont sondées simultanément en FWM. / This thesis focuses on the study of spin waves in n-doped CdMnTe quantum wells using respectively time-resolved Kerr rotation (TRKR) and four-wave mixing (FWM) techniques. We studied three high mobility samples with different characteristics.The TRKR technique gives access only to zero wave vector excitations, in our case the spin- flip wave q = 0 . We studied the anticrossing that appears between the spin -flip wave and the manganese spin -flip excitation. We studied the gap variation energy between these modes as function on the power excitation and the magnetic field. In particular, we have extended the measurements of mixed modes at lower Mn concentration (up 0.07 %) and contrary to what were expected; we found that the strong coupling regime persists at this concentration.We are then interested in determining the two dimensional electron gas spin polarization ζ, which can be deduced from the energy coupling between the mixed modes. We found that the measured polarization exceeds the theoretical polarization calculated taking into account the increased susceptibility by many-body effects. We also measured the electron spin relaxation time and we have shown that it is influenced by thermal effects inherent to optical pump-probe experiments on this time.In the second part of this thesis, we studied by FWM the damping and the dispersion of the non-zero wave vector spin waves for one of our samples. We have demonstrated that we can actually generate spin waves in femtosecond excitation and deted them by FWM. We found that the dispersion is lower than that observed in the Raman experiments. This low dispersion may be due to the strong excitation density used in the FWM experiments (typically three to four orders of magnitude higher than the Raman ones) and / or the fact that two waves of wave vector q and - q, having different dispersions are simultaneously probed in FWM .

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Um formalismo da funÃÃo de Green à usado para calcular o espectro de excitaÃÃes associadas com uma impureza magnÃtica localizada intersticialmente em diferentes estruturas ferromagnÃticas descritas pelo modelo de Ising e de Heisenberg. No capÃtulo 3, descrevemos um ferromagneto de rede cÃbica simples semi-infinita atravÃs do modelo de Ising. Neste caso, as excitaÃÃes nÃo-ressonantes (isto Ã, os modos de defeito fora da regiÃo das ondas de spin de volume e de superfÃcie) e as excitaÃÃes ressonantes (os modos de defeito dentro da regiÃo das ondas de spin de volume) sÃo calculadas numericamente para a fase de alta-temperatura. Duas situaÃÃes sÃo analisadas, dependendo da posiÃÃo da impureza em relaÃÃo a seus vizinhos: a impureza està na superfÃcie; a impureza està na regiÃo de volume. Nos demais capÃtulos, usamos o modelo de Heisenberg/Ising (onde passamos do modelo de Heisenberg para o de Ising atravÃs do controle de um parÃmetro) para descrever os seguintes sistemas: ferromagneto de rede quadrada infinita (capÃtulo 4), ferromagneto de rede quadrada centrada infinita (capÃtulo 5), ferromagneto de rede cÃbica de corpo centrado infinita (capÃtulo 6) e rede favo de mel infinita (capÃtulo 7), todos contendo uma impureza magnÃtica localizada intersticialmente. Nos trÃs primeiros casos, sÃo calculados apenas os modos de defeito acima da banda de volume do material puro (modos Ãpticos). No capÃtulo 7, sÃo analisados apenas os modos de defeito abaixo da banda de volume do material puro (modos acÃsticos).