Spintronics is a dynamically developing branch of electronics which for transfer, processing and storing of information use not only electron charge but also its spin. Materials appropriate for a construction of spintronic devices should sustain the spin order for a sufficiently long time enabling a manipulation of spins. Simultaneously, in these materials the spin of electrons should be possible to transport fast and long enough across the device. In this work, heterostructure of GaAs/AlGaAs fulfilling these requirements is investigated by a pump-probe technique. In particular, long spin lifetimes of electrons in the heterostructure are studied using the resonant spin amplification method and with a use of the pulse picker. The nuclear spin polarization and the effect of an applied electric current on the studied heterostructure are also investigated in this work. Spectral filters are used to improve the existing experimental setup for the pump-probe technique and to measure a magnetooptical spectrum of the investigated heterostructure.

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.

Spinové vlny mají potenciál být použity jako nová platforma pro přenos a zpracování dat, protože mohou dosáhnout vlnových délek v rozsahu nanometrů a frekvencí v rozsahu terahertzů. K tomu, aby bylo možné navrhnout zařízení a logické obvody založené na spinových vlnách, je zapotřebí získat informace o prostorovém rozložení intenzity spinové vlny a pokud je to možné, také o jejich fázi. To lze měřit pomocí fázově rozlišeného fokuso-vaného Brillouinova rozptylu světla (µ -BLS). Předložená práce se zabývá rozšířením stávající optické sestavy o možnost měření fáze, kde doposud bylo možné měřit pouze intenzitu. Toto rozšíření sestavy je důkladně popsáno a charakterizováno. Schopnosti optické sestavy jsou demonstrovány ve studii šíření spinových vln skrz Néelovu doménovou stěnu. Získané 2D mapy intenzity spinových vln ukazují, že propagace přes doménovou stěnu je ovlivněna topologicky vynucenou kruhovou Blochovou čarou ve středu doménové stěny a že režim propagace závisí na frekvenci spinových vln. V prvním režimu propagace se vytvoří dva svazky spinových vlny šířící se kolem kruhové Blochovy čáry, zatímco ve druhém režimu se spinové vlny šíří pouze středem. Fázově rozlišené µ-BLS měření odhaluje fázový po- sun spinových vln pro oba režimy. Mikromagnetické modelování spinových vln ukazuje rozrušení jejich fázových vlnoploch, které je třeba brát v úvahu při interpretaci měření a navrhování potenciálních zařízení. Mikromagnetické simulace ukazují, že vnější magnetické pole může být použito k pohybu kruhové Blochovy čáry ve stěně domény, a tedy k manipulaci spinových vln.

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.

Title: Investigation of spin structure and dynamics in magnetically ordered thin films Author: Tomáš Janda Abstract: This thesis is devoted to the development of methods for imaging and ultrafast manipulation of magnetic textures, such as magnetic domains and domain walls (DWs), and to the investigation of the corresponding magnetiza- tion dynamics. We focused on techniques that are, besides ferromagnets (FMs), applicable also to antiferromagnets (AFs), in particular, AF thin films. The employed excitation techniques were mostly based on direct or indirect effects of ultrashort laser pulses. We studied the DW motion induced by a transfer of angular momentum from circularly polarized femtosecond laser pulses in a FM GaMnAsP and we found that the observed macroscopic DW displacement is only possible due to its inertia. In a distinct experiment, picosecond current pulses were generated by an absorption of the ultrashort laser pulses in a verti- cal PIN diode-based photoconductive switch and used to excite a magnetic film deposited directly on top of the diode. For imaging of AF domain patterns, we developed a simple table-top laser-scanning technique, which is based on a magneto-thermoelectric response of the AF textures in the presence of a local laser-induced heating. We first used the method to image the...

Magnetické materiály a z nich vyrobené nanostruktury jsou v průběhu posledních let studovány pro jejich aplikace v např. záznamových médiích a logických obvodech. Tato práce navazuje na náš předchozí výzkum tohoto oboru s hlavním zaměřením na statické a dynamické vlastnosti nanostrukturovaných magnetických materiálů, jako například NiFe, CoFeB a YIG. Práce začíná teoretickým úvodem s popisem mikromagnetických systémů, dynamiky magnetických vortexů, feromagnetické rezonance (FMR) a spinových vln včetně jejich disperzních vlastností. Následuje popis použitých experimentálních metod a první experimentální část zabývající se nukleačním procesem magnetického vortexu, jinými slovy procesem transformace ze saturovaného stavu do spinové konfigurace magnetického vortexu v průběhu snižování magnetického pole. Jsou použity mikroskopické metody zobrazující magnetickou strukturu materiálu, jmenovitě Lorentzova transmisní elektronová mikroskopie a rentgenová transmisní mikroskopie. Výsledky jsou poté korelovány s měřením elektrické odezvy pomocí jevu anizotropní magnetorezistence. Výhodou elektrických měření je, že plně elektrická detekce dovoluje použití tohoto systému v uzavřených systémech integrovaných obvodů. Výsledky oblasti nukleací magnetických vortexů ukazují, že při tomto procesu prochází magnetizace v nano- a mikrometrových magnetických discích několika fázemi s růsnými typy spinových konfigurací nazvaných nukleační stavy. Dále je představeno měření magnetických materiálů pomocí vektorového síťového analyzátoru (VNA), což je aplikováno na měření resonance magnetických vortexů (určení gyrotropické frekvence a měření vysokofrekvenčních módů), feromagnetické rezonance tenkých vrstev (získání základních magnetických materiálových parametrů) a spektroskopii spinových vln. Právě spektroskopie spinových vlna je rozvinuta za účelem měření disperzních relací tenkých magnetických vrstev, což je základní charakteristika, jejíž znalost je důležitá v návrhu aplikací. Nakonec je představeno anténní zařízení, díky kterému lze oddělit magnetické buzení od vzorku samotného bez nutnosti absolvovat proces elektronové litorafie, což je zapotřebí v klasickém přístupu antény na vzorku a kontaktování vysokofrekvenční sondou. Toto zařízení se skládá ze skleněného kantilívru, na kterém je vyrobena budící anténa, konektoru a spojovacího prvku v podobě plošného spoje. Celé zařízení je díky umístění na x-y-z stolek s náklonem pozicovatelné a lze tedy měřit v jakémkoliv místě vzorku. Umístění antény na sklo umožňuje navigaci pomocí mikroskopu a optické měření, např. metodou Brillouinova světelného rozptylu (BLS) nebo Kerrova jevu.

Techniques based on principle of nuclear magnetic resonance (NMR) belong to the most modern methods for studying physical, chemical and biological properties of materials [1]. Their universality predestinates them for application in a wide range of scientific disciplines, e.g. in medicine to study properties of tissues. Advantages of techniques utilizing principle of NMR consist in their noninvasiveness and thoughtfulness to human health or studied material. In addition, no undesirable effects of magnetic force field have been so far proved by research. Objectives of this Diploma Thesis are evaluation of MR images of tissue cultures and determination of protons amount included in them. Theoretic part of the Thesis is devoted to the bases of NMR and provides basic overview of MR methods. The spin echo method (SE) is described in more details, including the process of assessment of technique’s parameters, e.g. general magnetization. Practical part of Diploma Thesis is focused on determination of integral of image intensity of clusters of early somatic embryos. Intensity integrals characterizing number of protons in growing cluster were calculated from MR images of spruce embryos contaminated by lead. The intensity of an image weighted by spin density is proportionate to the number of proton nuclei in the chosen slice. The Thesis describes further evaluation of relaxation time T2 from MR images weighted by spin density. Following part is dealing with determination of diffusion from MR images with application of compensation methods, three-measurement arrangement and presentation of obtained results. Images were processed by use of MATLAB and MAREVISI programs.

Optická odezva BiTeX (X = I, Cl, Br) polovodičových materiálů s obřím spinovým štěpením Rashbova typu je studována za nízkých teplot do vysokých magnetických polí, kde je směr magnetické indukce kolmý na povrch vzorku (Faradayova konfigurace). Na rozdíl od reflexního uspořádání nám transmisní uspořádání umožňuje přímé pozorování přechodů mezi Landauovými hladinami v blízkosti křižiště vodivostních pásů - Diracův bod. Optická odezva BiTeX sloučenin je srovnána s teoretickým modelem spočteným v rámci Kubo-Greenwoodova formalismu z Rashbova hamiltonianu.

The aim of this thesis is a systematic study of physical properties of magnetic multilayered nanostructures. Namely it include multilayered spin valves NiFe/Cu/Co with magnetic anisotropy iduced by magnetic field applied during the deposition. Induced magnetic anisotropy influences exchange interactions between magnetic layers and so it gives the possibility to control magnetic properties of nanolayers. This is important for applications in MRAM, magnetoresistive read heads and spin-transfer-torque devices. Magnetooptic spectroscopy and Kerr effect hysteresis loop measurement were used as effective probe techniques. Secondly we examinated Ar3+ rf sputtering influence on multilayer interface quality level. We found out, that Ar3+ irradiation during deposition process has a possitive effect on interface quality.

Umělé spinové systémy jsou vhodným nástrojem pro zkoumání a ovlivňování neobvyklých exotických nízko-energiových stavů přímo v reálném prostoru. Experimentální realizace těchto systémů jsou založeny na výrobě vzájemně interagujících nano-magnetů uspořádaných do požadované geometrie. Prvním a asi i nejvíce studovaným umělým systémem je prostá čtvercová mřížka. V této práci se zabýváme modifikováním této čtvercové geometrie, které umožní zachycení různých magnetických fází založených na modelech ledu. Výsledky ukazují, že vhodným nastaveném této modifikace lze realizovat různé magnetické fáze, včetně neuspořádané spinové kapalné fáze s uvězněnými magnetickými kvazičásticemi (magnetickými monopóly).