No description available.

At leading twist, the spin structure of the nucleon is described by three fundamental parton distribution functions (PDFs): unpolarized PDFs (f_1 (x)), helicity PDFs (g_1 (x)), and transversity PDFs (h_1^q (x)). Unlike f_1 (x) and g_1 (x), h_1^q (x) is a chiral-odd function that must couple with another chiral-odd function to manifest in experimentally observable chiral-even physical quantities such as cross-sections or asymmetries. Due to its chiral-odd nature, h_1^q (x) remains inaccessible in inclusive deep inelastic scattering (DIS) experiments, where f_1 (x) and g_1 (x) garner a larger amount of experimental data to constrain them, hence making h_1^q (x) one of the least constrained fundamental PDFs. In the Standard Model, only a few channels exist where h_1^q (x) couples with another chiral-odd function. The production of di-hadron in the final state from transversely polarized pp collisions represents one of the theoretically cleanest channels, where h_1^q (x) couples with another chiral-odd distribution function known as the interference fragmentation function (IFF, H_1^∢ (z,M_h^2)) and gives experimentally observable di-hadron azimuthal correlation asymmetry (A_UT^sin⁡(φ_RS ) ). This thesis work presents the most precise measurement, to date, of the di-pion A_UT^sin⁡(φ_RS ) in the mid-pseudorapidity region (-1 <η<1) using STAR 2017 transversely polarized pp data at a center-of-mass energy (√s) of 500 GeV. In 2017, STAR collected a dataset of 350 pb^(-1), approximately 15 times larger than the previous STAR 2011 dataset. Consequently, this new dataset improves the statistical precision of A_UT^sin⁡(φ_RS ) by a factor of 4, which will contribute significantly to constraining the h_1^q (x) in the global analyses.¬ / Physics

Spin filtering properties of novel GaNAs alloys are reported in this thesis. Spin-dependent recombination (SDR) in GaNAs via a deep paramagnetic defect center is intensively studied.  By using the optical orientation photoluminescence (PL) technique, GaNAs is shown to be able to spin filter electrons injected from GaAs, which is a useful functional property for integratition with future electronic devices.  The spin filtering ability is found to degrade in narrow GaNAs quantum well (QW) structures which is attributed to (i) acceleration of band-to-band recombination competing with the SDR process and to (ii) faster electron spin relaxation in the narrow QWs.  Ga interstitial-related defect centers have been found to be responsible for the SDR process by using the optically detected magnetic resonance (ODMR) technique. The defects are found to be the dominant grown-in defects in GaNAs, commonly formed during both MBE and MOCVD growths.  Methods to control the concentration of the Ga interstitials by varying doping, growth parameters and post-growth treatments are also examined.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mikroskopischen Modellierung von strominduziertem Schalten der Magnetisierung in magnetischen Tunnelstrukturen. Die Tunnelstruktur besteht aus zwei durch einen nichtmagnetischen Isolator voneinander getrennten Ferromagneten und einem Paramagneten, der als Elektronenreservoir dient. Die Ferromagnete werden beide durch das Hubbard-Modell beschrieben. Durch Anlegen einer Spannung verschieben sich die chemischen Potentiale auf beiden Seiten des Isolators, wodurch ein endlicher Tunnelstrom entsteht. Dieser wird im Rahmen des Modells durch eine Hybridisierung zwischen benachbarten Schichten simuliert. Das Modell muss im Nichtgleichgewicht gelöst werden, da aufgrund der unterschiedlichen chemischen Potentiale thermodynamisches Gleichgewicht nicht angenommen werden darf. Daher wird zur analytischen Auswertung der Keldysh-Formalismus verwendet, der eine Erweiterung der Viel-Teilchen-Theorie ins Nichtgleichgewicht darstellt. Da es sich beim Hubbard-Modell um ein nicht exakt lösbares Viel-Teilchen-Modell handelt, wurde in der Arbeit eine approximative Lösung, der sogenannte Nichtgleichgewichtsspektraldichteansatz, entwickelt. Dieser beruht auf einer Hochenergieentwicklung der retardierten Greenfunktion mit Hilfe der exakt berechenbaren Spektralmomente. Die numerischen Resultate stimmen qualitativ mit dem Experiment überein. Insbesondere gelingt es, das Hystereseverhalten der Magnetisierung des freien Ferromagneten in Abhängigkeit der angelegten Spannung korrekt zu reproduzieren. Es kann somit allein durch Anlegen einer Spannung kontrolliert zwischen paralleler und antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierungen geschaltet werden. Dieses Phänomen ist anhand der entsprechenden Quasiteilchenzustandsdichten erklärbar. Weiterhin wird das Verhalten der kritischen Spannung systematisch in Form von Phasendiagrammen dargestellt und diskutiert. / This thesis is concerned with the microscopic modelling of current-induced switching of magnetization in magnetic tunnel junctions. The tunnel junction consists of two ferromagnets which are divided by a nonmagnetic insulator and a paramagnet, which acts as an electron reservoir. The ferromagnets are both described by the Hubbard model. By applying a voltage the chemical potentials on both sides of the insulator are shifted which results in a finite tunneling current. Within the model the current is simulated by a hybridization between neighbouring regions. The model has to be solved in non-equilibrium since thermal equilibrium requires a constant chemical potential for the whole system, which is not the case due to the voltage. Thus the Keldysh formalism will be used for evaluating the model. Since the Hubbard model is not exactly solvable one needs approximations. In this work a non-equilbrium spectral density approach is developed. It is based on a high-energy expansion of the retarded Green''s function and takes interactions beyond the mean field level into account. The numerical results of the theory are in qualitative agreement with experiments. It will be shown that it is possible to correctly get the hysterisis behaviour of the magnetization of the free ferromagnet in dependence on the applied voltage. Thus the relative alignment of the two magnetizations can be switched just by applying an electric field. This can be explained with the corresponding quasiparticle densities of state. Furthermore the behaviour of the critical voltage will be discussed systematically by calculating phase diagrams of the tunnel junction.

La spintronique antiferromagnétique est un domaine de recherche émergent dans le secteur des technologies de l'information. Ce domaine exploite la combinaison unique de propriétés dans les matériaux antiferromagnétiques. Leur grande fréquence d'excitation, leur robustesse face à des champs extérieurs, une aimantation totale nulle et la possibilité de générer de forts effets de magnéto-transport les rendent particulièrement intéressants. Le transfert de spin, le couplage spin-orbite et les effets caloritroniques constituent les phénomènes qui ont façonné une grande partie de la recherche et des développements récents en spintronique. Dans cette thèse, nous avons étudié les effets de transfert et de pompage de spin dans des antiferromagnétiques métalliques et isolants au moyen de la technique de résonance ferromagnétique, dans des tricouches du type injecteur de spin ferromagnétique - NiFe, CoFeB / (conducteur de spin - Cu / absorbeur de spin antiferromagnétique - IrMn, NiFeOx, NiO. Les mesures de la dépendance en température de la relaxation ferromagnétique ont révélé un nouvel effet de pompage de spin associé aux fluctuations linéaires lors de la transition de phase magnétique de l'antiferromagnétique, quel que soit l'état électronique et la nature du transport de spin. Cela ouvre de nouvelles voies pour un pompage de spin plus efficace, tout en fournissant une méthode polyvalente pour mesurer la température critique des films ultra-minces à aimantation totale nulle. Dans le but de mesurer à la fois les fluctuations de spin linéaires et non linéaires dans l'antiferromagnétique, nous avons effectué des mesures électriques dans une configuration de mesure du type ‘spin Hall’. Une dépendance en température non-monotone inédite de la tension dc transverse a parfois été observée. Elle est principalement associée aux propriétés d’un ferromagnétique spécifique: le Permalloy, sans rapport avec les effets de rectification de spin. Ces résultats s'ajoutent à une littérature croissante sur l'absorption d’un courant de spin, soulignant la capacité des ferromagnétiques à agir comme détecteurs de courant de spin émis à la suite de phénomènes impliquant une dynamique d’aimantation. Finalement, nous avons utilisé le couplage d'échange pour étudier et ensuite façonner les propriétés magnétiques et électriques de plusieurs antiferromagnétiques destinés à diverses applications spintroniques, y compris la lecture par magnétorésistance tunnel anisotrope. / Antiferromagnetic spintronics is an emerging research field in the area of information technology that exploits the unique combination of properties of antiferromagnets. It is their high excitation frequency, robustness against external fields, zero net magnetization and possibility of generating large magneto-transport effects that makes them so interesting. Spin transfer, spin-orbit coupling and spin caloritronics constitute the phenomena that have shaped much of the recent research and development towards pure antiferromagnetic spintronics. Here we investigate spin transfer torque and spin pumping in both metallic and insulating antiferromagnets by means of ferromagnetic resonance technique, in ferromagnetic spin injector – NiFe, CoFeB / (spin conductor – Cu) / antiferromagnetic spin sink – IrMn, NiFeOx, NiO trilayers. Temperature dependence measurements of the ferromagnetic relaxation revealed a novel spin pumping effect associated to the linear fluctuations at the magnetic phase transition of the antiferromagnet, regardless its electronic state and the nature of the spin transport. This opens new ways towards more efficient spin pumping, while providing at the same time a versatile method to probe the critical temperature of ultrathin films with zero net magnetization. Next, in an effort to probe linear as well as non-linear fluctuations in the antiferromagnet we conducted electrical measurements in spin Hall geometry. A novel non-monotonous temperature dependence of transverse dc voltage was sometimes observed, mostly associated to the properties of a specific ferromagnet: Permalloy, unrelated to spin rectification effects. These findings add to a growing body of literature on spin current absorption, highlighting the ability of ferromagnets to act as spin current detectors, in phenomena involving magnetization dynamics. Finally, we used exchange bias to investigate and subsequently engineer the magnetic and electric properties of various antiferromagnets intended for diverse spintronic applications including reading via tunneling anisotropic magnetoresistance.

The low-field magnetoresistance properties in double-perovskite strontium ferromolybdate core–shell structures arise from spin-dependent tunneling through a barrier formed by the shell. It is strongly dependent on synthesis conditions. In this work, first, the resistivity behavior of granular strontium ferromolybdate ceramics comprising intergrain tunnel barriers is reviewed. Based on this generalization, the modification of the tunneling process with barrier thickness and interface conditions is demonstrated. For the first time, equations for the magnetoresistance in each special case are derived.

Ce travail de thèse est une contribution à l'étude des propriétés de spin dans les semiconducteurs par spectroscopie de photoluminescence et par photoconductivité en vue d’applications possibles dans le domaine de l’électronique du spin.Nous avons analysé les propriétés de spin des électrons de conduction dans les matériaux semiconducteurs nitrures dilués, massif et puits quantiques (GaAsN, GaAsN/GaAs). Nous avons étudié le mécanisme de recombinaison dépendante du spin des électrons de conduction sur les centres paramagnétiques induits par l’introduction d’azote dans GaAs. Nous avons mis en évidence l’effet de « filtrage » de spin des électrons de conduction que ce mécanisme peut induire ; en particulier, nous avons mené des études détaillées en fonction de la concentration d’azote, de la puissance excitatrice, d’un champ magnétique externe et, pour les hétérostructures, de l’épaisseur des puits quantiques. L’origine chimique des centres paramagnétiques a été, de plus, identifiée par des études de résonance paramagnétique détectée optiquement (ODMR).Nous avons également complété ces études purement optiques sur la recombinaison dépendante du spin, par des expériences de photoconductivité en vue d’applications possibles liées à l’électronique du spin. Nous avons montré que la photoconductivité des matériaux nitrures dilués peut être contrôlée par la polarisation de la lumière incidente. Un détecteur électrique de la polarisation de la lumière à base de GaAsN a été ainsi fabriqué et testé.Ces résultats ont été également interprétés et simulés grâce à un système d’équations dynamiques pouvant rendre compte à la fois des résultats de photoluminescence et de transport / This thesis work is a contribution to the investigation of the spin properties of semiconductors by photoluminescence and photoconductivity spectroscopy with the aim of future applications in the spintronic field. We have studied the conduction band electron spin properties of dilute nitride semiconductors in epilayers and quantum wells (GaAsN, GaAsN/GaAs). In particular, we have investigated the spin dependent recombination of conduction band electrons on deep paramagnetic centers induced by the introduction of nitrogen into GaAs. We have also evidenced the “spin filtering” effect made possible by this spin dependent recombination mechanism. More precisely, we have carried out a systematic study of the spin filtering effect as a function of the nitrogen concentration, excitation power, external magnetic field and, for the hetero-structures, as well as a function of the quantum well thickness. The chemical origin of the deep paramagnetic centers has been also determined by optically detected magnetic resonance (ODMR). We have completed these all-optical studies on the spin dependent recombination by photoconductivity experiments in order to demonstrate a “proof of concept” system for spintronic applications. We have shown that the photoconductivity in dilute nitride semiconductors can be controlled by the polarization of the incident light: an electrical detector of the light polarization has therefore been built. These results have been as well modeled thanks to a rate equation system able to reproduced both the photoluminescence and photoconductivity experimental results

Gegenstand dieser Arbeit sind Wellenphänomene in mesoskopischen Ringstrukturen. In Teil I der Arbeit befassen wir uns mit spinabhängigem Transport von Elektronen in effektiv eindimensionalen Ringen in Gegenwart inhomogener Magnetfelder. Wir benutzen die exakten Lösungen der Schrödinger-Gleichung im allgemeinen nicht-adiabatischen Fall in einem Transfer-Matrix-Formalismus und untersuchen Auswirkungen von geometrischen Phasen auf den Magnetwiderstand. Für den Spezialfall eines Magnetfeldes in der Ringebene sagen wir einen interessanten Spin-Flip-Effekt vorher, der die Steuerung der Polarisationsrichtung von Elektronen über einen externen Aharonov-Bohm-Fluß erlaubt. Optische mesoskopische Systeme sind Thema von Teil II dieser Arbeit. Wir betrachten zweidimensionale annulare Strukturen, charakterisiert durch unterschiedliche Brechungsindizes, sowohl im klassischen Bild der geometrischen Optik als auch mit Wellenmethoden auf der Grundlage der Maxwellschen Gleichungen. Insbesondere diskutieren wir erstmals eine Streumatrixbeschreibung optischer Mikroresonatoren und wenden sie auf das dielektrische annulare Billard an. Ein Vergleich der Ergebnisse des Wellen- und Strahlenbildes liefert eine gute Übereinstimmung, jedoch sind im Grenzfall großer Wellenlängen von der Ordnung der Systemabmessungen Korrekturen zum Strahlenbild nötig. Wir zeigen am Beispiel von Fresnel-Gesetzen für gekrümmte Oberflächen erstmals, daß der Goos-Hänchen-Effekt diese Korrekturen quantitativ erfaßt. Ausgehend von der Wellenbeschreibung leiten wir neue analytische Formeln für verallgemeinerte Fresnel-Gesetze für beide möglichen Polarisationsrichtungen ab. Die Anwendung des Strahlenbildes erlaubt eine schlüssige Interpretation eines Experiments mit einer quadrupolaren Glasfaser, außerdem schlagen wir Strahlenkonzepte als Grundlage der Konstruktion von Mikrolasern mit maßgeschneiderten Charakteristika vor. / In this work we investigate wave phenomena in mesoscopic systems using different theoretical approaches. In Part I, we focus on effectively one-dimensional electronic ring structures and address the phenomenon of geometric phases in spin-dependent electronic transport in the presence of non-uniform magnetic fields. In the general non-adiabatic case, exact solutions of the Schrödinger equation are used in a transfer matrix formalism to compute the transmission probability through the ring. In the magneto-conductance we identify clear signatures of interference effects due to geometric phases, for example in rings where the non-uniform field is created by a central micromagnet. For the special case of an in-plane magnetic field we predict an interesting spin-flip effect that allows one to control the spin polarization of electrons by applying an external Aharonov-Bohm flux. Optical mesoscopic systems are the subject of Part II. We consider two-dimensional annular structures characterized by different refractive indices, and apply classical methods from geometric optics as well as wave concepts based on Maxwell's equations. For the first time, an S-matrix approach is successfully employed in the description of resonances in optical microresonators; in particular we propose the dielectric annular billiard as an attractive model system. Comparing ray and wave pictures, we find general agreement, except for large wavelengths of the order of the system size, where corrections to the ray model are necessary. The Goos-Hänchen effect as an extension of the ray picture is shown to quantitatively account for wave modifications of Fresnel's laws due to curved interfaces. We derive novel analytical expressions for the corrected Fresnel formulas for both polarizations of light. Motivated by the successful ray description, we give a conclusive interpretation of a recent filter experiment on a quadrupolar glass fibre, and suggest novel concepts for microresonator-based lasers.

Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur Theorie des spinabhängigen Transports in magnetischen Vielfachschichten. Es wird erstmalig eine parameterfreie Beschreibung des Giant Magnetoresistance (GMR) vorgelegt, welche detaillierte Einsichten in die mikroskopischen Vorgänge gestattet. Die ab-initio Berechnung der Elektronenstruktur der magnetischen Vielfachschichten basiert auf der Spindichtefunktionaltheorie unter Verwendung eines Screened Korringa-Kohn-Rostoker-Verfahrens. Die Streueigenschaften von Punktdefekten werden über die Greensche Funktion des gestörten Systems selbstkonsistent bestimmt. Die Transporteigenschaften werden durch Lösung der quasiklassischen Boltzmann-Gleichung unter Berücksichtigung der Elektronenstruktur der Vielfachschicht und der Anisotropie der Streuung an Fremdatomen berechnet. Die Boltzmann-Gleichung wird iterativ unter Einbeziehung der Vertex-Korrekturen gelöst. Der Formalismus wird auf Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten, die Standardsysteme der Magnetoelektronik, angewandt. Es werden die Abhängigkeit der Streuquerschnitte, der spezifischen Restwiderstände und des GMR von der Art und der Lage der Übergangsmetalldefekte in Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten diskutiert. Darüber hinaus wird der Einfluß des Quantum Confinements auf den GMR eingehend untersucht. Vorteile und Grenzen der vorliegenden theoretischen Beschreibung werden aufgezeigt. / A new theoretical concept to study the microscopic origin of Giant Magnetoresistance (GMR) from first principles is presented. The method is based on ab-initio electronic structure calculations within the spin density functional theory using a Screened Korringa-Kohn-Rostoker method. Scattering at impurity atoms in the multilayers is described by means of a Green's-function method. The scattering potentials are calculated self-consistently. The transport properties are treated quasi-classically solving the Boltzmann equation including the electronic structure of the layered system and the anisotropic scattering. The solution of the Boltzmann equation is performed iteratively taking into account both scattering out and scattering in terms (vertex corrections). The method is applied to Co/Cu and Fe/Cr multilayers. Trends of scattering cross sections, residual resistivities and GMR ratios are discussed for various transition metal impurities at different positions in the Co/Cu or Fe/Cr multilayers. Furthermore the relation between spin dependence of the electronic structure and GMR as well as the role of quantum confinement effects for GMR are investigated. Advantages and limits of the approach are discussed in detail.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'électronique de spin et traite plus particulièrement de l'interaction réciproque entre un courant polarisé en spin et l'aimantation des structures magnétiques. Au cours de ce travail, les équations du transport diffusif dépendant du spin ont été couplées de façon auto-cohérente à l'équation de la dynamique d'aimantation dans l'approche micromagnétique au sein du code éléments finis. Cet outil numérique est appliqué à l'étude de la dynamique de parois de domaines dans différentes géométries sous l'action d'un courant polarisé. Il a permis de mettre en évidence plusieurs nouveaux phénomènes liés à l'interaction mutuelle entre l'aimantation et les spins des électrons. Pour des rubans à section rectangulaire, l'impact de cette interaction, habituellement négligée dans les modèles simplifiés, est quantifié via le calcul de la vitesse de déplacement de parois et du courant critique de Walker. Ces paramètres ont été étudiés en fonction de la largeur de paroi, du courant appliqué et des longueurs caractéristiques du transport polarisé en spin. L'augmentation du paramètre de non-adiabaticité du système, liée à l'augmentation du gradient d'aimantation ainsi qu'à une forte non-localité du modèle couplé, a été démontrée. Pour des fils à section circulaire et à diamètre modulable, une contribution supplémentaire à la non-adiabaticité du système liée, à la géométrie confinée, a été mise en évidence. Puis, les différents régimes dynamiques ainsi que les conditions de dépiégage de la paroi ont été caractérisés en fonction de la taille de constrictions. / In the context of spintronics this thesis studies the mutual interaction between a spin polarised current and the magnetization of magnetic structures. During this work, the diffusive spin transport equations were coupled in a self-consistent manner with the magnetization dynamics equations in the micromagnetic approach in our homemade finite element code. This numerical tool applied to the study of domain walls dynamics in different geometries under the action of spin polarized current highlighted several new phenomena related to the mutual interaction between the magnetization and the spins of electrons. For rectangular cross section stripes, the impact of this interaction, usually neglected in simplified models, is quantified by the computation of the domain wall velocity and the Walker critical current. These quantities were studied as a function of the domain wall width, the applied current, and the spin polarised transport characteristic lengths. Increasing the non-adiabatic parameter of the system related to the increase in the magnetization gradient and a strong non-locality of the coupled model was demonstrated. For circular cross section wires with a modulated diameter, an additional contribution to the non-adiabaticity of the system related to the confined geometry is highlighted. Then the different dynamic regimes and domain wall unpinning conditions are characterised according to the constriction size.