Dans cette thèse, nous étudions le transport diffusif de la charge, du spin et de la chaleur dans les structures métalliques incluant des métaux ferromagnétiques. En particulier, nous nous sommes intéressés à la partie de ce transport dont la polarisation n'est pas colinéaire à l'aimantation ambiante.Par exemple un courant polarisé en spin arrivant sur une couche magnétique dont l'aimantation pointe dans une autre direction verra sa partie transverse (i.e. non colinéaire à l'aimantation) précesser et être absorbée par l'aimantation sur une distance de quelques nanomètres au plus. Nous présentons un état de l'art sur ces deux distances caractéristiques, de précession et d'absorption transverse. Nous montrons aussi que ce comportement a un impact majeur sur la dynamique, notamment des murs de domaines magnétiques "longs" (plus de dix nanomètres).Nous étudions aussi le torque de transfert de spin dans ces structures magnétiques. Cette étude a porté sur deux aspects majeurs. Tout d'abord l'amplitude du torque, pour savoir s'il est capable de démarrer une des dynamiques magnétiques connues : l'inversion magnétique, ou la précession en état stationnaire. Ensuite, la dépendance du torque avec l'angle relatif des aimantations : dans certains cas, une configuration non-colinéaire peut-être stabilisée. Deux sources d'énergies ont été considérées, une différence de potentiel, ou une différence de température (en incluant les effets thermoélectriques dépendant du spin).Toute cette étude est réalisée dans le cadre de notre théorie, la Continuous Random Matrix Theory, que nous présentons dans son intégralité, de son origine avec la théorie de scattering, jusqu'aux équations différentielles de diffusion, résultat majeur de cette thèse.Nous présentons aussi l'outil numérique basé sur cette théorie, grâce auquel nous avons effectué toutes nos simulations. Cet outil permet d'évaluer le transport diffusif dans les structures métalliques tridimensionnelles, en utilisant des paramètres matériaux facilement disponibles dans la littérature pour la plupart. / In this thesis we study the diffusive transport of the charge, spin and heat in metallic structures involving ferromagnets. In particular, we focused on the part of the transport which polarization is not collinear to the surrounding magnetization.For example, a spin-polarized current arriving on a magnetic layer with a magnetization pointing in another direction will have its transverse part (i.e. non-collinear to the magnetization) precess and be absorbed by the magnetization, over a distance of up to a few nanometers. We present a state-of-the-art collection of values for those two characteristic lengths, of precession and transverse absorption. We also show that this behavior as a tremendous impact over the dynamics, notably that of "long" magnetic domain walls (over ten nanometers).We also study the spin-transfer torque in those magnetic structures, and focus on two major aspects. First the amplitude of the torque, to know if it is strong enough to start one of the known dynamics: magnetic switching or steady-state precession. Second, the dependence of the torque with the relative angle between the magnetizations: in some cases, a non-collinear configuration may be stabilized. Two driving forces have been considered, a voltage bias or a temperature difference (by including spin-dependent thermoelectric effects).This whole study is performed within the framework of our theory, the Continuous Random Matrix Theory, that we present in its entirety, from its origin with the scattering theory, to the diffusion differential equations, one of the main results of this thesis.We also present the numerical tool we developed, based on this theory, which we used to perform all of our simulations. This tool allows for the evaluation of the diffusive transport in three-dimensional metallic structures, using (mostly) readily available material parameters.

Les purs courants de spin peuvent être créés dans des dispositifs latéraux, en utilisant des mesures non-locales dans des vannes de spin latérales, par l’effet Hall de spin ou encore des effets magnétocaloriques. Ils consistent en le flux d'électrons de spin-up dans une direction, et de spin-down dans la direction opposée, de sorte qu’il y ait un flux de moment angulaire sans flux net de charge. Ces propriétés de transport de spin sont étudiés dans des matériaux non-magnétiques, afin de limiter les effets joules ou les effets de champs Oersted, mais surtout pour permettre la création de dispositifs aux nouvelles fonctionnalités et principe de fonctionnement. En outre, l'absorption de courants de spin purs par un élément ferromagnétique est associé au mécanisme de transfert de spin et peuvent exciter des ondes de spin, induire des oscillations magnétiques conduisant à la commutation magnétique. Un sujet relativement indépendant, mais connexe est la manipulation de parois magnétiques (DWS) dans les nanostructures, qui soulève des questions fondamentales liées au mouvement de DW induit par courant, et sous-tend un certain nombre de technologies émergentes. Au cours de cette thèse, l'intention est d'explorer l'interaction entre les DWS et les courants de spin purs. L'idée principale est d'utiliser vannes de spin latérales pour créer et détecter les courants de spin, et des constrictions dans des nanofils de NiFe pour manipuler les DW, nous allons alors montrer comment ceci peut être utilisé pour générer depuis des DWS des courants de spin purs pour détecter efficacement l’effet Hall de spin. Réciproquement, les courants de spin ainsi généré peuvent être utilisés pour détecter très précisément la position ou la configuration micro-magnétique d'un DW. / The bulk effect of the interconversion between charge current and spin current is activated by spin Hall effect (SHE) and its inverse. It is vastly recognized that the SHE originate of the strong spin–orbit coupling in nonmagnetic materials. This thesis is focused on a proposal techniques to characterize SHE and inverse spin Hall effect (ISHE) in the ferromagnetic/nonmagnetic (F/N) nanostructure and electrical detection of magnetic domain walls by using SHE and ISHE. We will briefly give the cornerstones and the basic spintronic concepts, in order to ease the understanding of the work presented in this thesis, and the state-of-the-art of the SHE investigations. In the second part, a technique of F/N nanostructure are proposed and applied to detect the spin Hall angle and spin diffusion length of Pt. Then the technique will be used to characterize the SHE/ISHE in different materials, heavy metal and alloys. The influence of the interfaces in the device will also investigated. In the last of this manuscript, we demonstrate a domain wall (DW) detection method, based on the ability for a ferromagnetic nanowire, in which a DW is pinned, to inject or detect a PSC what can be produced/detected by SHE/ISHE.

Le travail exposé dans cette thèse de doctorat présente des expériences à basse température dans le domaine de la spintronique quantique sur des hétérostructures à base de germanium. Tout d’abord, les avantages attendus du germaniumpour la spintronique quantique sont exposés, en particulier la faible interaction hyperfine et le fort couplage spin-orbite théoriquement prédits dans le Ge. Dans un second chapitre, la théorie des boites quantiques et systèmes à double boite sont détaillés, en se focalisant sur les concepts nécessaires à la compréhension des expériences décrites plus tard, c’est-à-dire les effets de charge dans les boites quantiques et double boites, ainsi que le blocage de spin de Pauli. Le troisième chapitre s’intéresse à l’interaction spin-orbite. Son origine ainsi que ses effets sur les diagrammes d’énergie de bande sont discutés. Ce chapitre se concentre ensuite sur les conséquences de l’interaction spin-orbite spécifiques aux gaz bidimensionnels de trous dans des hétérostructures de germanium, c’est-à-dire l’interaction spin-orbite Rashba, le mécanisme de relaxation de spin D’Yakonov-Perel ainsi que l’antilocalisation faible.Le chapitre quatre présente des mesures effectuées sur des nanofils coeur coquillede Ge/Si. Dans ces nanofils une boite quantique se forme naturellement et celui-ci est étudié. Un système à double boite quantiques est ensuite formé par utilisation de grilles électrostatiques, révélant ainsi du blocage de spin de Pauli.Dans le cinquième chapitre sont détaillés des mesures demagneto-conductance de gas de trous bidimensionnels dans des hétérostructures de Ge/SiGe contraints dont le puit quantique se situe à la surface. Ces mesuresmontrent de l’antilocalisation faible. Les temps de transport caractéristiques sont extraits ainsi que l’énergie de séparation des trous 2D par ajustement de courbe de la correction à la conductivité due à l’antilocalisation. De plus, les mesures montrent une suppression de l’antilocalisation par un champ magnétique parallèle au puit quantique. Cet effet est attribué à la rugosité de surface ainsi qu’à l’occupation virtuelle de sous-bandes inoccupées.Finalement, le chapitre six présente des mesures de quantisation de la conductancedans des hétérostructures de Ge/SiGe contraints dont le puit quantique est enterré. Tout d’abord, l’hétérostructure est caractérisée grâce à des mesures de magneto-conductance dans une barre de Hall. Ensuite, un second échantillon dessiné spécialement pour la réalisation de points de contact quantiques est mesuré. Celui-ci montre des marches de conductance. La dépendance en champ magnétique de ces marches est mesurée, permettant ainsi une extraction du facteur gyromagnétique de trous lourds dans du germanium. / This thesis focuses on low temperature experiments in germaniumbased heterostructure in the scope of quantumspintronic. First, theoretical advantages of Ge for quantum spintronic are detailed, specifically the low hyperfine interaction and strong spin orbit coupling expected in Ge. In a second chapter, the theory behind quantum dots and double dots systems is explained, focusing on the aspects necessary to understand the experiments described thereafter, that is to say charging effects in quantum dots and double dots and Pauli spin blockade. The third chapter focuses on spin orbit interaction. Its origin and its effect on energy band diagrams are detailed. This chapter then focuses on consequences of the spin orbit interaction specific to two dimensional germaniumheterostructure, that is to say Rashba spin orbit interaction, D’Yakonov Perel spin relaxation mechanism and weak antilocalization.In the fourth chapter are depicted experiments in Ge/Si core shell nanowires. In these nanowire, a quantumdot formnaturally due to contact Schottky barriers and is studied. By the use of electrostatic gates, a double dot system is formed and Pauli spin blockade is revealed.The fifth chapter reports magneto-transport measurements of a two-dimensional holegas in a strained Ge/SiGe heterostructure with the quantum well laying at the surface, revealing weak antilocalization. By fitting quantumcorrection to magneto-conductivity characteristic transport times and spin splitting energy of 2D holes are extracted. Additionally, suppression of weak antilocalization by amagnetic field parallel to the quantum well is reported and this effect is attributed to surface roughness and virtual occupation of unoccupied subbands.Finally, chapter number six reportsmeasurements of quantization of conductance in strained Ge/SiGe heterostructure with a buried quantumwell. First the heterostructure is characterized by means ofmagneto-conductance measurements in a Hall bar device. Then another device engineered specifically as a quantum point contact is measured and displays steps of conductance. Magnetic field dependance of these steps is measured and an estimation of the g-factor for heavy holes in germanium is extracted.

Aujourd'hui, il existe plusieurs façons de développer des circuits microélectroniques adaptés aux applications spatiales qui répondent aux contraintes sévères de l'immunité contre les radiations, que ce soit en termes de technique de conception ou de processus de fabrication. Le but de ce doctorat est d'une part de combiner plusieurs techniques nouvelles de microélectronique pour concevoir des architectures adaptées à ce type d'application et d'autre part, d'incorporer des composants magnétiques non-volatiles intrinsèquement robustes aux rayonnements. Un tel couplage serait tout à fait novateur et profiterait sans précédent, en termes de surface, de consommation, de robustesse et de coût.Contrairement à la conception de circuits synchrones qui reposent sur un signal d'horloge, les circuits asynchrones ont l'avantage d'être plus ou moins insensibles aux variations temporel résultant par exemple des variations du processus de fabrication. En outre, en évitant l'utilisation d'une horloge, les circuits asynchrones ont une consommation d'énergie relativement faible. Les circuits asynchrones sont généralement conçus pour fonctionner en fonction des événements déterminés grâce à un protocole de "poignée de main" spécifique.Pour les applications avioniques et spatiales, il serait souhaitable de fournir un circuit asynchrone rendu robuste contre les effets des radiations. En effet, la présence de particules ionisantes à haute altitude ou dans l'espace peut induire des courants perturbateurs dans des circuits intégrés qui peuvent être suffisants pour provoquer un basculement à l'état binaire maintenu par une ou plusieurs grilles. Cela peut provoquer un dysfonctionnement du circuit, connu dans l'état de l'art en tant que single event upset (SEU). Il a été proposé de fournir un module redondant double (Dual Modular Redundency: DMR) ou un module redondant triple (Tripple Modular Redundcy: TMR) dans une conception de circuit asynchrone afin de fournir une protection contre les radiations. De telles techniques s'appuient sur la duplication du circuit dans le cas de DMR, ou en triplant le circuit dans le cas de TMR, et en détectant une discordance entre les sorties des circuits comme indication de l'apparition d'une SEU.L'intégration de composants non-volatils intrinsèquement robustes, tels que les jonctions de tunnel magnétique (JTM), l'élément principal de la mémoire MRAM, pourrait conduire à de nouvelles façons de retenir les données dans des environnements difficiles. Les dispositifs JTM sont constitués de matériaux ferromagnétiques avec des propriétés magnétiques qui ne sont pas sensibles aux rayonnements. Les données sont stockées sous la forme de la direction de l'aimantation et non sous la forme d'une charge électrique, qui est une propriété essentielle pour les applications spatiales. Il est également largement reconnu dans le domaine de la microélectronique que les circuits intégrés fabriqués sur les substrats SOI (Silicon On Insulator) sont plus robustes aux radiations.Il existe donc un besoin dans l'état de l'art pour un circuit ayant une surface et une consommation d'énergie relativement faibles, et qui permet une récupération après un SEU sans nécessiter de réinitialisation et qui présente des caractéristiques non-volatiles. L'objectif de ce doctorat est de combiner tous les avantages mentionnés ci-dessus en regroupant plusieurs méthodes de conception microélectronique répondant aux contraintes des applications spatiales dans une nouvelle architecture. Un Circuit complet a été imaginé, conçu, simulé et envoyé en fabrication. Ce circuit est composé d'un pipeline asynchrone d'additionneur et d'un test intégré complexe connu sous le nom de BIST (Built In Self Test). Apres fabrication, ce circuit sera testé. Premièrement des tests fonctionnels vont être réalisés, puis des tests sous laser pulsé seront menés ainsi que sous attaques aux ions lourds. / Today, there are several ways to develop microelectronic circuits adapted for space applications that meet the harsh constraints of immunity towards radiation, whether in terms of technical design or manufacturing process. The aim of this doctorate is on the one hand to combine several novel techniques of microelectronics to design architectures adapted to this type of application, and on the other hand to incorporate non-volatile magnetic components inherently robust to radiation. Such an assembly would be quite innovative and would benefit without precedent, in terms of surface, consumption, robustness and cost.In contrast with synchronous circuit designs that rely on a clock signal, asynchronous circuits have the advantage of being more or less insensitive to delay variations resulting for example from variations in the manufacturing process. Furthermore, by avoiding the use of a clock, asynchronous circuits have relatively low power consumption. Asynchronous circuits are generally designed to operate based on events determined using a specific handshake protocol.For aviation and/or spatial applications, it would be desirable to provide an asynchronous circuit that is rendered robust against the effects of radiation. Indeed, the presence of ionising particles at high altitudes or in space can induce currents in integrated circuits that may be enough to cause a flip in the binary state held by one or more gates. This may cause the circuit to malfunction, known in the art as a single event upset (SEU). It has been proposed to provide dual modular redundancy (DMR) or triple modular redundancy (TMR) in an asynchronous circuit design in order to provide radiation protection. Such techniques rely on duplicating the circuit in the case of DMR, or triplicating the circuit in the case of TMR, and detecting a discordance between the outputs of the circuits as an indication of the occurrence of an SEU.The integration of inherently robust non-volatile components, such as Magnetic Tunnel Junctions (MTJ), the main element of MRAM memory, could lead to new ways of data retention in harsh environments. MTJ devices are constituted of ferromagnetic materials with magnetic properties that are not sensitive to radiation. Data is stored in the form of the direction of the magnetisation and not in the form of an electric charge, which is an essential property for space applications. It is also widely recognised in the field of microelectronics that integrated circuits manufactured on SOI (Silicon On Insulator) substrates are more robust to radiation.There is thus a need in the art for a circuit having relatively low surface area and power consumption, and that allows recovery following an SEU without requiring a reset and that has non-volatile characteristics. The objective of this doctorate is to combine all the above mentioned benefits by regrouping several methods of microelectronic design responding to the constraints of space applications into a novel architecture. A complete circuit has been created, designed, simulated, validated and sent to manufacturing in a 28nm FD-SOI process. This circuit is composed of an adder pipeline and a complex BIST (Build In Self Test). When fabricated, this circuit will be tested. First a functional test will be realised, then laser pules attacks will be performed and finally a heavy ions attack campaign.

abstract: ABSTRACT An Ensemble Monte Carlo (EMC) computer code has been developed to simulate, semi-classically, spin-dependent electron transport in quasi two-dimensional (2D) III-V semiconductors. The code accounts for both three-dimensional (3D) and quasi-2D transport, utilizing either 3D or 2D scattering mechanisms, as appropriate. Phonon, alloy, interface roughness, and impurity scattering mechanisms are included, accounting for the Pauli Exclusion Principle via a rejection algorithm. The 2D carrier states are calculated via a self-consistent 1D Schrödinger-3D-Poisson solution in which the charge distribution of the 2D carriers in the quantization direction is taken as the spatial distribution of the squared envelope functions within the Hartree approximation. The wavefunctions, subband energies, and 2D scattering rates are updated periodically by solving a series of 1D Schrödinger wave equations (SWE) over the real-space domain of the device at fixed time intervals. The electrostatic potential is updated by periodically solving the 3D Poisson equation. Spin-polarized transport is modeled via a spin density-matrix formalism that accounts for D'yakanov-Perel (DP) scattering. Also, the code allows for the easy inclusion of additional scattering mechanisms and structural modifications to devices. As an application of the simulator, the current voltage characteristics of an InGaAs/InAlAs HEMT are simulated, corresponding to nanoscale III-V HEMTs currently being fabricated by Intel Corporation. The comparative effects of various scattering parameters, material properties and structural attributes are investigated and compared with experiments where reasonable agreement is obtained. The spatial evolution of spin-polarized carriers in prototypical Spin Field Effect Transistor (SpinFET) devices is then simulated. Studies of the spin coherence times in quasi-2D structures is first investigated and compared to experimental results. It is found that the simulated spin coherence times for GaAs structures are in reasonable agreement with experiment. The SpinFET structure studied is a scaled-down version of the InGaAs/InAlAs HEMT discussed in this work, in which spin-polarized carriers are injected at the source, and the coherence length is studied as a function of gate voltage via the Rashba effect. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2011

L’intégration à large échelles de bits quantiques (qubits) nécessite le développement de systèmes quantiques à deux niveaux à l’état solide comme par exemple des spins électroniques confinés dans des boîtes quantiques ou des fermions de Majorana dans des nanofils semiconducteurs.Les trous confinés à une ou deux dimensions dans des hétérostructures à base de germanium sont de bons candidats pour de tels qubits parce qu’ils offrent i) une forte interaction spin-orbite (SOI) conduisant à des facteurs de Landé relativement grands, ii) un couplage hyperfin réduit laissant entrevoir un long de temps de cohérence de spin et iii) des masses efficaces relativement faibles favorisant le confinement quantique. Au cours de cette thèse, j’ai étudié le transport de trous dans des systèmes unidimensionnels et bidimensionnels faits à partir d’hétérostructures Ge/Si_0.2Ge_0.8 à contrainte compressive. Une partie importante de mon travail de recherche a été consacrée au développement de techniques de fabrication pour ces dispositifs semi-conducteurs. J’ai débuté par la fabrication de dispositifs de type "barre de Hall" à partir d’hétérostructures Ge/SiGe non dopées.J’ai étudié deux types d’ hétérostructures contenants un puits quantique de Ge contraint: l’une où le puits de Ge est à la surface de la structure donc facilement accessible aux contacts métalliques, et l’autre où le puitsest enterré à 70nm sous la surface permettant d’avoir une mobilité élevée.Les propriétés électroniques du gaz de trou bidimensionnel confiné dans lepuits de Ge ont été étudiées à travers des mesures de magnéto-transportjusqu’à 0,3 K. Pour le puits enterré, mes mesures ont révélé un caractère dominant de trou lourd, ce qui est attendu dans le cas d’une contrainte compressive en combinaison avec un confinement bidimensionnel. Les dispositifs avec un puits de Ge superficiel ont montré un transport diffusif et un effet d’anti-localisation faible, ce qui est dû à l’interférence quantique de differents chemins de diffusion en présence du SOI. Le fait que le puits de Ge soit situé à la surface permet des champs électriques perpendiculaires relativement grands et, par conséquent, un plus fort SOI de type Rashba. J’ai été en mesure d’estimer l’énergie caractéristique du SOI en obtenant une valeur d’environ 1 meV. Pour la réalisation de nano-dispositifs quantiques,j’ai utilisé l’ hétérostructure avec un puits de Ge enterré où la mobilité des trous se rapproche de 2 × 105 cm2/Vs. En utilisant la lithographie par faisceau d’électrons, des grilles métalliques à l’échelle nanométrique ont été définies sur la surface de l’échantillon afin de créer des constrictions unidimensionnelles dans le gaz de trous bidimensionnel. J’ai ainsi réussi à observer la quantification de la conductance dans des fils quantiques d’une longueur allant jusqu’à ~ 600 nm. Dans ces fils, j’ai étudié l’effet Zeeman sur les sous-bandes unidimensionnelles. J’ai trouvé des grands facteurs g pour le champ magnétique perpendiculaire, et des petits facteurs g dans le plan. Cette forte anisotropie indique un caractère de trou lourd prédominant,ce qui est attendu dans le cas d’un confinement dominant dans la direction perpendiculaire. Les grands facteurs g et le caractère unidimensionnel balistique sont des propriétés favorables à la réalisation de fermions de Majorana. Enfin, j’ai commencé à explorer le potentiel des hétérostructures à base de Ge pour la réalisation de dispositifs à points quantiques, en visant des applications en calcul quantique à base de spin. Au cours des derniers mois, j’ai pu observer des signes évidents de transport à un seul trou, posant ainsi les bases pour des études plus approfondies sur les points quantiques des trous. / Aiming towards largely integrated quantum bits (qubits) requires thedevelopment of solid-state, two-level quantum systems, such as spins inquantum dots or Majorana fermions in one-dimensional wires. Holes confinedin low-dimensional, germanium-based heterostructures are good candidatesfor such qubits because they offer i) large spin-orbit interaction(SOI), leading to conveniently large g factors, ii) reduced hyperfine coupling,which is important for long spin coherence, and iii) relatively loweffective masses, favoring quantum confinement. In this thesis, I have investigatedhole transport in one- and two-dimensional systems made fromcompressively strained Ge/Si_0.2Ge_0.8 heterostructures. An important partof my research work has been devoted to developing the recipes for devicefabrication. I have started from the fabrication of gated Hall bardevices from nominally undoped Ge/SiGe heterostructures. I have studiedtwo types of the heterostructures embedding a strained Ge quantumwell: one where the Ge well is at the surface, hence easily accessible tometal contacts, and one where it is buried 70 nm below the surface, aconfiguration resulting in higher hole mobility. The electronic propertiesof the two-dimensional hole gas confined to the Ge well were studied bymeans of magneto-transport measurements down to 0.3 K. My measurementsrevealed a dominant heavy-hole character, which is expected fromthe presence of a compressive strain in combination with two-dimensionalconfinement. The surface-Ge devices showed diffusive transport and a weakanti-localization effect, which is due to SOI in combination with quantuminterference. The fact that the Ge quantum well is located at the surfaceallows for relatively large perpendicular electric fields and hence enhancedRashba-type SOI. I was able to estimate a spin splitting of around 1 meV.For the realization of quantum nano-devices, I used the heterostructure witha buried Ge well where the hole mobility approaches 2×105 cm2/Vs. Usinge-beam lithography, sub-micron metal gates were defined on sample surfacein order to create one-dimensional constrictions in the two-dimensional holegas. I succeeded in observing conductance quantization in hole quantum wires with a length up to ~ 600 nm. In these wires I investigated the Zeemansplitting of the one-dimensional subbands, finding large perpendicularg-factors as opposed to small in-plane g-factors. This strong anisotropyindicates a prevailing heavy-hole character, which is expected in the caseof a dominant confinement in the perpendicular direction. The large g factorsand the ballistic one-dimensional character are favorable properties forthe realization of Majorana fermions. Finally, I have begun to explore thepotential of Ge-based heterostructures for the realization of quantum-dotdevices, having in mind applications in spin-based quantum computing.During the last months, I was able to observe clear evidence of single-holetransport, laying the ground for more in-depth studies of hole quantumdots.

Le contrôle de l’aimantation sans application de champ magnétique externe est un domaine de recherche en plein essor, étant prometteur pour les applications technologiques d’enregistrement magnétique et de spintronique. En 2007, Stanciu et al. ont découvert la possibilité de retourner l’aimantation dans un film fait d’alliage ferrimagnétique de GdFeCo en utilisant des impulsions laser femtoseconde. Longtemps cantonné aux alliages de GdFeCo, ce retournement tout-optique s’avère un phénomène plus général, puisqu’il a été mesuré plus récemment dans une large variété de matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. Cette découverte a ainsi ouvert la voie à l’intégration de l’écriture tout-optique dans l’industrie des mémoires magnétiques. Néanmoins, l’ensemble des modèles théoriques expliquant le retournement tout-optique dans le GdFeCo ne semblent pas s’appliquer aux autres matériaux magnétiques, mettant ainsi en question l’unicité de l’origine microscopique de ce phénomène. Au cours de cette thèse, nous avons étudié la réponse aux impulsions laser femtoseconde des alliages ferrimagnétiques et des multicouches ferromagnétiques, dans l'objectif d'élucider divers aspects du mécanisme du retournement optique. Nous avons élucidé expérimentalement les paramètres magnétiques gouvernant le retournement tout-optique. Nous avons montré que l’observation du retournement tout-optique nécessite des domaines magnétiques plus grands que la taille du faisceau laser pendant le processus de refroidissement, un critère qui est commun à la fois aux matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. En outre, nous nous sommes intéressés à l’intégration du retournement tout-optique dans des dispositifs de spintronique. Grâce à une caractérisation temporelle de l’aimantation dans des croix de Hall via l’effet Hall extraordinaire, nous avons distingué entre deux types de mécanismes du retournement optique. Le premier type est un retournement purement thermique obtenu avec une impulsion unique dans les alliages ferrimagnétiques de GdFeCo, tandis que le deuxième type est un retournement cumulative et à deux régimes dans les alliages ferrimagnétiques de TbCo et les multicouches ferromagnétiques de Co/Pt. Ce dernier consiste en une formation indépendante de l’hélicité de multidomaines magnétiques suivie d'une ré-aimantation dépendante de l'hélicité sur plusieurs dizaines de millisecondes. / The control of magnetization without external magnetic fields is an emergent field of research due to the prospect of impacting many technological applications such as magnetic recording and spintronics. In 2007, Stanciu et al. discovered an intriguing new possibility to switch magnetization in a ferrimagnetic GdFeCo alloy film using femtosecond laser pulses. This all-optical switching of magnetization had long been restricted to GdFeCo alloys, though it turned out to be a more general phenomenon for a variety of ferromagnetic and ferromagnetic materials. This discovery paved the way for an integration of the all-optical writing in storage industries. Nevertheless, the theoretical models explaining the switching in GdFeCo alloys films do not appear to apply in the other materials, thus questioning the uniqueness of the microscopic origin of all-optical switching. In this thesis, we have investigated the response of femtosecond laser pulses in ferrimagnetic alloys and ferromagnetic multilayers to the action of femtosecond laser pulses, in order to elucidate several aspects of the all-optical switching mechanism. We have experimentally studied the magnetic parameters governing the all-optical switching. We showed that the observation of all-optical switching requires magnetic domains larger than the laser spot size during the cooling process; such a criterion is common for both ferrimagnets and ferromagnets. Furthermore, we have investigated the integration of all-optical switching in spintronic devices via the anomalous Hall effect. Through a time-dependent electrical investigation of the magnetization in Hall crosses, we distinguished between two types of all-optical switching mechanisms. The first type is the single-pulse helicity-independent switching in ferrimagnetic GdFeCo alloy films as shown in previous studies, whereas the second is a two regimes helicity-dependent switching in both ferrimagnetic TbCo alloys and ferromagnetic Co/Pt multilayers. The latter consists in a step-like helicity-independent multiple-domain formation followed by a helicity-dependent remagnetization on several tens of milliseconds.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3073.pdf: 10396042 bytes, checksum: 1c8d8ca7f0cd08b4154a245cd2641a48 (MD5) Previous issue date: 2010-03-26 / Universidade Federal de Sao Carlos / The aim of this work was to complement the studies of the mechanisms of control of the degree of circular polarization of emission from resonant tunneling diodes p-type (RTD) by analyzing the optical properties and transport of this type of structure. We focus primarily on the influence of the width of quantum well to these properties and the possible injection of spin-polarized charge carriers, from the two-dimensional hole gas formed in the accumulation layer adjacent to the barriers. First, we discuss the theoretical foundations necessary for understanding the work, followed by the description of samples and experimental methods to perform this study. The results showed that the degree of circular polarization of luminescence of the quantum well is strongly correlated with the transport across the diode and with the separation of the emission energy of each spin component. We note also that reversal signal degree of polarization in the regions of resonant tunneling, which were associated with different Landè g-factors of electrons and holes and the injection through the spin channels. Regarding the issue of contacts emition, we observed the presence of two major contributions, one related to the three-dimensional contact and other related two-dimensional hole gas formed in the accumulation layer. The luminescence of gas did not show significant spin polarization, preventing direct analysis of its influence on the spin properties of quantum well. Finally, we conclude that the variation in width of the quantum well can greatly influence the spin properties of RTDs, and the study of these properties may allow the architecture of new spintronic devices. / Esse trabalho teve como objetivo complementar os estudos dos mecanismos de controle do grau de polarização circular da emissão proveniente de diodos de tunelamento ressonante do tipo-p (RTD), por meio da análise das propriedades ópticas e de transporte desse tipo de estrutura. Nos focamos basicamente na influência da largura do poço quântico nessas propriedades e da possível injeção de portadores de carga spin-polarizados, provenientes do gás bidimensional de buracos formado na camada de acumulação adjacente às barreiras. Primeiramente, discutimos os fundamentos teóricos necessários para o entendimento do trabalho, seguido da descrição das amostras e os métodos experimentais utilizados para a execução desse estudo. Os resultados demonstraram que o grau de polarização circular da luminescência do poço quântico está fortemente correlacionado com o transporte através do diodo e com a separação em energia das emissões de cada componente de spin. Verificamos ainda inversões de sinal desse grau de polarização nas regiões de tunelamento ressonante, as quais foram associadas aos diferentes fatores-g de Landè dos elétrons e dos buracos e à injeção através dos canais de spin. Com relação à emissão dos contatos, observamos a presença de duas contribuições principais, uma relacionada ao contato tridimensional e outra relacionada ao gás bidimensional de buracos formado na camada de acumulação. A emissão desse gás não apresentou polarização significativa de spin, impossibilitando a análise direta de sua influência nas propriedades de spin do poço quântico. Por fim, concluímos que a variação na largura do poço quântico pode influenciar muito nas propriedades de spin de RTDs, afetando diretamente o fator-g de Landè dos portadores de carga, e que o estudo destas propriedades abre portas para a arquitetura de novos dispositivos spintrônicos.

L'effet Kondo observé dans des objets individuels constitue un système modèle pour l’étude de corrélations électroniques. Ces dernières jouent un rôle moteur dans le domaine émergent de l'électronique de spin (ou spintronique) où l’utilisation d’atomes issus des terres rares et des métaux de transition est incontournable. Dans ce contexte, l’étude de l'interaction d’une impureté Kondo avec des électrodes ferromagnétiques ou avec d’autres impuretés magnétiques peut donc s’avérer fondamental pour la spintronique. L’effet Kondo est sensible à son environnement magnétique car en présence d’interactions magnétiques la résonance ASK se dédouble. Dans une certaine mesure, la résonance ASK agit comme un niveau atomique discret doublement dégénérée qui subit un dédoublement Zeeman en présence d'un champ magnétique ou plus généralement d’un champ magnétique effectif. Inversement, la détection d'un dédoublement Zeeman indique l'existence d'un champ magnétique. Dans une boîte quantique, le couplage de la boîte avec les deux électrodes est faible en général et la largeur de la résonance ASK est donc de l'ordre de quelques meV. Beaucoup d’études de l’effet Kondo en présence d’interactions magnétiques ont été menées sur les boîtes quantiques, grâce notamment au contrôle qui peut être exercé sur la résonance ASK, mais aussi grâce au faible élargissement de la résonance qui peut alors être dédoublée avec un champ magnétique de l’ordre de 10 Tesla ou moins. A ces études, s’ajoutent de nombreux travaux similaires menés avec des dispositifs tels des jonctions cassées comprenant une molécule individuelle jouant le rôle de l’impureté magnétique. En revanche, peu d’études de ce type ont été consacrées aux atomes individuels. Cela est dû à l’hybridation plus marquée entre l'impureté atomique et la surface comparée aux boîtes quantiques, qui entraine une largeur typique de 10 meV ou plus pour la résonance ASK. Un champ magnétique d'environ 100 T ou plus est alors nécessaire afin de dédoubler la résonance et donc en pratique difficile à mettre en oeuvre. Cette thèse est consacrée précisément à l’étude de l'interaction entre une impureté Kondo individuel et son environnement magnétique à l’aide d’un STM. Une nouvelle stratégie est adoptée ici par rapport aux études antérieures de ce genre. Tout d'abord, nous éliminons la barrière tunnel en établissons un contact pointe-atome. Nous formons ainsi un point de contact quantique comprenant une seule impureté Kondo. Deuxièmement, nous utilisons des pointes ferromagnétiques. Le contact pointe-atome permet de sonder l'influence du ferromagnétisme sur l'impureté Kondo vial’observation de la résonance ASK. La géométrie de contact permet tout particulièrement de produire une densité de courant polarisé en spin suffisamment élevée pour qu’elle entraîne un dédoublement de la résonance ASK. Ce dédoublement constitue la première observation à l’échelle atomique d’un phénomène connu sous le nom d’accumulation de spin, laquelle se trouve être une propriété fondamentale de la spintronique. / The Kondo effect of these single objects represents a model system to study electron correlations, which are nowadays of importance in relation to the emerging field of spin electronics, also known as spintronics, where chemical elements with partially filled d or f shells play a central role. Also of particular interest to spintronics is the interaction of single Kondo impurities with ferromagnetic leads or with other magnetic impurities. A Kondo impurity is in fact sensitive to its magnetic environment as the ASK resonance is usually split into two resonances in the presence of magnetic interactions. To some extent, the ASK resonance acts as a two-fold degenerate energy level of an atom which undergoes a Zeeman splitting in the presence of an effective magnetic field. Conversely, the detection of a Zeeman splitting indicates the existence of a magnetic field. In a QD, the coupling of the QD to the two leads is very weak in general, and the Kondo resonance is in the range of a few meV. Many studies focusing on magnetic interaction have been carried out on QDs, due to the high control that can be extended to the ASK resonance and its low energy range, allowing to split the resonance with a magnetic field of 10 T. Similar work has also been carried out in single-molecule or lithographically-defined devices. Although STM is an ideal tool to study the Kondo effect of single atoms, there is still a strong lack of experimental studies concerning atoms in the presence of magnetic interactions. This is partly due to the stronger impurity-metal hybridization compared to QDs, which places the ASK width in the range of 10 meV. An effective magnetic field of 100 T would be needed to split the resonance. The present Thesis is devoted precisely at studying the interaction between a single Kondo impurity with its magnetic environment through STM. A new strategy is adopted herecompared to former studies of this kind. Firstly, we contact a single-magnetic atom on a surface with a STM tip thereby eliminating the vacuum barrier. Secondly, we use ferromagnetic tips. The contact with a single atom allows probing the influence of ferromagnetism on the Kondo impurity i. e. its ASK resonance. But most importantly, the contact geometry produces sufficiently high current densities compared to the tunneling regime, so that the ASK resonance becomes sensitive to the presence of a spin-polarized current. This constitutes the first atomic scale detection of a spin-polarized current with a single Kondo impurity.

abstract: A theoretical study of a three-dimensional (3D) N/S interface with arbitrary spin polarization and interface geometry is presented. The 3D model gives the same intrinsic spin polarization and superconducting gap dependence as the 1D model. This demonstrates that the 1D model can be use to t 3D data. Using this model, a Heusler alloy is investigated. Andreev reflection measurements show that the spin polarization is 80% in samples sputtered on unheated MgO(100) substrates and annealed at high temperatures. However, the spin polarization is considerably smaller in samples deposited on heated substrates. Ferromagnetic FexSi􀀀x alloys have been proposed as potential spin injectors into silicon with a substantial spin polarization. Andreev Reflection Spectroscopy (ARS) is utilized to determine the spin polarization of both amorphous and crystalline Fe65Si35 alloys. The amorphous phase has a significantly higher spin polarization than that of the crystalline phase. In this thesis, (1111) Fe SmO0:82F0:18FeAs and Pb superconductors are used to measure the spin polarization of a highly spin-polarized material, La0:67Sr0:33MnO3. Both materials yield the same intrinsic spin polarization, therefore, Fe-superconductors can be used in ARS. Based on the behavior of the differential conductance for highly spin polarized LSMO and small polarization of Au, it can be concluded that the Fe-Sc is not a triplet superconductor. Zero bias anomaly (ZBA), in point contact Andreev reflection (PCAR), has been utilized as a characteristic feature to reveal many novel physics. Complexities at a normal metal/superconducting interface often cause nonessential ZBA-like features, which may be mistaken as ZBA. In this work, it is shown that an extrinsic ZBA, which is due to the contact resistance, cannot be suppressed by a highly spin-polarized current while a nonessential ZBA cannot be affected the contact resistance. Finally, Cu/Cu multilayer GMR structures were fabricated and the GMR% measured at 300 K and 4.5 K gave responses of 63% and 115% respectively. Not only do the GMR structures have a large enhancement of resistance, but by applying an external magnetic eld it is shown that, unlike most materials, the spin polarization can be tuned to values of 0.386 to 0.415 from H = 0 kOe to H = 15 kOe. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Physics 2015