Spintronics is an attractive field that combines magnetism and electronics to realize new devices. Spin based oscillators (SBOs) have gained significant interest in recent years due to their attractive characteristics, including high operating frequency, low power, small area and integration compatibility with CMOS circuitry. SBOs have shown potential in the fields of wireless communication systems, magnetic field sensing and neuromorphic computing. A relatively new and promising SBO architecture is the three-terminal Spin Hall Nano Oscillator (SHNO). To accelerate the design of next generation spintronic devices, co-design and simulation of three-terminal SHNOs with CMOS technology are of great importance. To realize this, a comprehensive analytical model is needed. In this thesis, an extensive survey of SBO theory is performed and a set of compact equations are proposed to describe the SBO characteristics. From these equations a compact model is realized in Verilog-A and verified against experimental measurements. The model shows good agreement with experimental results and opens up the possibility of designing CMOS circuits for three-terminal SHNOs. / Spintronics kombinerar magnetism och elektronik med syftet att utveckla nya komponenter. Spin baserade oscillatorer (SBO) har fått ökad intresse de senaste åren på grund av deras attraktiva egenskaper, inklusive hög frekvens, låg kraft, liten yta och integrations kompatibilitet med CMOS-kretsar. SBO har visat potential i kommunikationssystem, avkänning av magnetfält och neuromorfisk databehandling. En ny och förhoppningsfull SBO-arkitektur är den tre-terminala Spin Hall Nano Oscillator (SHNO). För att påskynda design av nästa generations spintronic-komponenter är co-design och simulering av tre-terminala SHNOs med CMOS-teknik av en stor betydelse. En modell krävs för att göra detta. I denna avhandling utförs en omfattande undersökning av SBO teori samt ekvationer för beskrivning av SBO egenskaper är föreslagen. Från dessa ekvationer är en kompakt modell i Verilog-A utvecklad och verifieras mot experimentella mätningar. Modellen visar god överensstämmelse med experimentella resultat och öppnar möjligheten att designa CMOS-kretsar för tre-terminal SHNOs.

The nano-contact spin torque oscillator (NC-STO) is an emerging device for highly tunable microwave frequency generation in the range from 0.1 GHz to above 65 GHz with an on-chip footprint on the scale of a few μm. The frequency is inherent to the magnetic material of the NC-STO and is excited by an electrical DC current by means of the spin torque transfer effect. Although the general operation is well understood, more detailed aspects such as a generally nonlinear frequency versus current relationship, mode-jumping and high device-to-device variability represent open questions. Further application-oriented questions are related to increasing the electrical output power through synchronization of multiple NC-STOs and integration with CMOS integrated circuits. This thesis consists of an experimental part and a simulation part. Experimentally, for the frequency stability it is found that the slow but strong 1/f-type frequency fluctuations are related to the degree of nonlinearity and the presence of perturbing, unexcited modes. It is also found that the NC-STO can exhibit up to three propagating spin wave oscillation modes with different frequencies and can randomly jump between them. These findings were made possible through the development of a specialized microwave time-domain measurement circuit. Another instrumental achievement was made with synchrotron X-rays, where we image dynamically the magnetic internals of an operating NC-STO device and reveal a spin wave mode structure with a complexity significantly higher than the one predicted by the present theory. In the simulations, we are able to reproduce the nonlinear current dependence by including spin wave-reflecting barriers in the nm-thick metallic, magnetic free layer. A physical model for the barriers is introduced in the form of metal grain boundaries with reduced magnetic exchange coupling. Using the experimentally measured average grain size of 30 nm, the spin wave mode structure resulting from the grain model is able to reproduce the experimentally found device nonlinearity and high device-to-device variability. In conclusion, the results point out microscopic material grains in the metallic free layer as the reason behind the nonlinear frequency versus current behavior and multiple propagating spin wave modes and thereby as a source of device-to-device variability and frequency instability. / Dagens snabba utveckling inom informationsteknik drivs på av ständigt växande informationsmängder och deras samhällsanvändning inom allt från resursoptimering till underhållning. Utvecklingen möjliggörs till stor del hårdvarumässigt av miniatyrisering och integrering av elektroniska komponenter samt trådlös kommunikation med allt större bandbredd och högre överföringshastighet. Det senare uppnås främst genom utnyttjande av högre radiofrekvenser i teknologiskt tidigare oåtkomliga delar av spektrumet. Frekvensutnyttjandet har det senaste årtiondet ökat markant i mikrovågsområdet med typiska frekvenser runt 2.4 GHz och 5.2-5.8 GHz. I den spinntroniska oscillatorn (STO:n) möjliggörs frekvensgenerering i det breda området från 0.1 GHz upp till över 65 GHz av en komponent med mikrometerstorlek som kan integreras direkt i CMOS-mikrochip. Till skillnad från i konventionella radiokretsar med oscillatorer konstruerade av integrerade transistorer och spolar, genereras mikrovågsfrekvensen direkt i STO:ns magnetiska material och omvandlas därefter till en elektrisk signal genom komponentens magnetoresistans. Dessa materialegenskaper möjliggör ett tillgängligt frekvensband med extrem bredd i en och samma STO, som därtill kan frekvensmoduleras direkt genom sin styrström och på så sätt förenklar konstruktionen av sändarsystem. STO:ns icke-linjära egenskaper kan potentiellt också användas för att i en och samma komponent blanda ned mottagna mikrovågssignaler och på så sätt förenkla konstruktionen även av mikrovågsmottagare. STO:ns signalegenskaper bestäms av det magnetiska materialets fysik i form av magnetiseringsdynamik driven av elektriskt genererade spinnströmmar. I denna avhandling studeras denna dynamik experimentellt med särskilt fokus på frekvensstabiliteten i den hittills mest stabila STO-typen; nanokontakts-STO:n. Genom mätningar i tidsdomän av STO:ns elektriska signaler runt 25 GHz har frekvensstabiliteten funnits hänga samman med den typ av icke-linjärt beteende som också funnits vara utmärkande för tillverkningsvariationen i komponenterna. Mikroskopiska undersökningar av materialet visar att en trolig källa till denna variation är den magnetiska metallens uppbyggnad i form av korn i storleksordningen 30 nm, och datorsimuleringar av en sådan materialstruktur har visats kunna reproducera de experimentella resultaten. Därtill har en metod utvecklats för att med röntgenstrålning direkt mäta de små, magnetiska mikrovågsrörelserna i materialet. Denna röntgenteknik möjliggör detaljerade experimentella studier av magnetiseringsdynamiken och kan användas för att verifiera och vidareutveckla den existerande teorin för mikrovågsspinntronik. Sammantaget förs STO-teknologin genom denna studie ett steg närmare sina tänkbara samhällsbreda tillämpningar inom snabb, trådlös kommunikation för massproducerade produkter med integrerad sensor- och datorfunktionalitet. / <p>QC 20160620</p>

Research on spintronics has galvanized the design of new devices that exploit the electronic spin in order to augment the performance of current microelectronic technologies. The sucessful implementation of these devices is largely contingent on a quantitative understanding of nonequilibrium magnetism in conducting ferromagnets. This thesis is largely devoted to expanding the microscopic theory of magnetization relaxation and current-induced spin torques in transition metals ferromagnets as well as in (III,Mn)V dilute magnetic semiconductors. We start with two theoretical studies of the Gilbert damping in electric equilibrium, which treat disorder exactly and include atomic-scale spatial inhomogeneities of the exchange field. These studies enable us to critically review the accuracy of the conventional expressions used to evaluate the Gilbert damping in transition metals. We follow by generalizing the calculation of the Gilbert damping to current-carrying steady states. We find that the magnetization relaxation changes in presence of an electric current. We connect this change with the non-adiabatic spin transfer torque parameter, which is an elusive yet potentially important quantity of nonequilibrium magnetism. This connection culminates in a concise analytical expression that will lead to the first ab initio estimates of the non-adiabatic spin transfer torque in real materials. Subsequently we predict that in gyrotropic ferromagnets the magnetic anisotropy can be altered by a dc current. In these systems spin-orbit coupling, broken inversion symmetry and chirality conspire to yield current-induced spin torques even for uniform magnetic textures. We thus demonstrate that a transport current can switch the magnetization of strained (Ga,Mn)As. This thesis concludes with the transfer of some fundamental ideas from nonequilibrium magnetism into the realm of superconductors, which may be viewed as easy-plane ferromagnets in the particle-hole space. We emphasize on the analogies between nonequilibrium magnetism and superconductivity, which have thus far been studied as completely separate disciplines. Our approach foreshadows potentially new effects in superconductors. / text

In this work we study thin epilayers of new antiferromagnetic semimetal CuMnAs by time- resolved magneto-optical experiments. In 10 nm layers of CuMnAs, we observed a harmonic dependence of the dynamical magneto-optical signal on the orientation of probe pulse linear polarization. This shows that in this 10 nm layer there is an in-plane uniaxial magnetic anisotropy which can be detected due to a quadratic magneto-optical effect - magnetic linear dichroism. From the measured data we also estimated the Néel temperature and the spectral variation of the magneto-optical coefficient describing the magnitude of the magnetic linear dichroism in this sample.

Les nanotubes de carbone (CNT) à basse température se comportent comme des points quantiques pour lesquelles les niveaux électroniques deviennent quantifiés. Le transport électronique à travers une jonction-CNT est caractérisé par le phénomène de blocage de Coulomb, dont les spécificités dépendent du couplage entre le nanotube et les électrodes métalliques. Le blocage de Coulomb est extrêmement sensible au moindre changement électrostatique, faisant des jonctions-CNT de précis électromètres. Par exemple, si l'on couple un système magnétique à un nanotube, le transport électronique sera influencé par l'état de spin du système magnétique (effet magnéto-Coulomb). Ce projet de thèse présente des mesures de transport électrique sur un système hybride se composant d'un nanotube de carbone rempli de nanoparticules magnétiques (Fe). Ces mesures, réalisées à très basses températures (40 mK), ont permis de mettre en évidence le comportement hystérétique de la conductance en fonction du champ magnétique, et en particulier la présence de saut de conductance à champ magnétique fini. Nous expliquons ces résultats en termes d'effet magnéto-Coulomb : le renversement d'aimantation des particules de fer à champ magnétique fini provoquant une variation de charge effective due à l'effet Zeeman. Ces mesures sont une étape vers l'étude de l'anisotropie magnétique de nanoparticules individuelles. / Carbon Nanotubes at low temperature behave as Quantum Dots for which charging processes become quantized, giving rise to Coulomb Blockade depending upon the coupling to the leads. Any small change in the electrostatic environment (tuned by the gate electrode) can induce shift of the stability diagram (so called Coulomb Diamonds) of the device, leading to conductivity variation of the Quantum Dot. A carbon nanotube can therefore be a very accurate electrometer. For example, if a magnetic system is electronically coupled to a nanotube, its electron conduction may be influenced by the spin state of the magnetic system (magneto- Coulomb effect). In this thesis, we report on the electrical transport measurements of such hybrid systems where a carbon nanotube is filled with magnetic nanoparticles such as Iron(Fe). We find that low-temperature (~40mK) current-voltage measurements of such devices can show a hysteretic behaviour in conductance with sharp jumps at certain magnetic fields. We explain the results in terms of the magneto-Coulomb effect where the spin flip of the iron island at non-zero magnetic field causes an effective charge variation in the Nanotube due to the Zeeman energy. Our studies are a step forward towards the study of the magnetic anisotropy of individual nanoparticles. We believe our findings have important implications for sensitive magnetic detectors to study the magnetization reversal of individual magnetic nanoparticle or molecule, even weakly coupled to a carbon nanotube.

O efeito Hall quântico surge em gases de elétrons bidimensionais (2DEG) na presença de altos campos magnéticos B. O campo magnético quantiza o movimento planar dos elétrons em órbitas ciclotrônicas caracterizadas pelos níveis de Landau. Neste regime a resistividade transversal (ou Hall) &rho;xy em função de B exibe platôs em submúltiplos inteiros de e2/h, i.e., &rho;xy = &nu;-1 e2/h, sendo &nu; o fator de preenchimento dos níveis de Landau. Por sua vez, a resistividade longitudinal &rho;xx apresenta picos nas transições entre platôs de &rho;xy. Em primeira instância, &rho;xx é uma medida indireta da densidade de estados no nível de Fermi g(&epsilon;F), e os picos dos mesmos indicam cruzamentos do nível de Fermi &epsilon;F com niveis de Landau. Assim, o diagrama de densidade de elétrons n2D e B dos picos de &rho;xx ~ g(&epsilon;F) fornece um mapa topológico da estrutura eletrônica do sistema. Em sistemas de duas subbandas, &rho;xx(n2D, B) exibe estruturas em forma de anel devido a cruzamentos de níveis de Landau de subbandas distintas [experimentos do grupo do Prof. Jiang (UCLA)]. Estes cruzamentos podem ainda levar a instabilidades ferromagnéticas. Investigamos estas instabilidades usando a teoria do funcional da densidade (DFT) para o cálculo da estrutura eletrônica, e o modelo de Ando (formalismo de Kubo) para o cálculo de &rho;xx e &rho;xy. Para temperaturas mais altas (340 mK) obtemos as estruturas em forma de anel em &rho;xx. Para temperaturas mais baixas (70 mK), observamos uma quebra dos anéis devido a transições de fase ferromagnéticas. Variando-se o ângulo &theta; de B com relação ao 2DEG observa-se o encolhimento do anel. Nossos resultados mostram que o ângulo de colapso total do anel depende de uma competição entre o termo de troca da interação de Coulomb (princípio de Pauli) e cruzamentos evitados devido ao ângulo &theta; finito. As transições de fase exibem ainda o fenômeno de histerese. Na região de instabilidade ferromagnética obtemos diferentes soluções variando B de forma crescente ou decrescente. Estas soluções possuem energias total diferentes, de forma que representam estados fundamental e excitado de muitos corpos. Esta observação, juntamente com resultados anteriores do grupo [Freire & Egues (2007)], representam as primeiras realizações teóricas da previsão da possibilidade de estados excitados como mínimos locais do funcional de energia do estado fundamental [Perdew & Levy (1985)]. O modelo aqui proposto fornece excelente acordo com os experimentos considerados. Adicionalmente, a observação sistemática e experimentalmente verificada dos estados excitados valida as previsões de Perdew & Levy. Aplicamos ainda estas mesmas ideias no cálculo da estrutura eletrônica e condutância de fios quânticos na presença de campos magnéticos, mostrando que cruzamentos de modos transversais também exibem instabilidades ferromagnéticas observadas em experimentos recentes [Dissertação de Mestrado de Filipe Sammarco, IFSC/USP], fortalecendo a validade do modelo apresentado nesta tese. / The quantum Hall effect arises in two dimensional electron gases (2DEG) under high magnetic fields B. The magnetic field quantizes the planar motion of the electrons into cyclotron orbits given by the Landau levels. In this regime the transversal (Hall) resistivity &rho;xy shows plateaus as a function of B at integer sub-multiples of e2/h, i.e., &rho;xy = &nu;-1 e2/h, where n is the filling factor of the Landau levels. The longitudinal resistivity &rho;xx shows peaks at the transition between the plateaus of &rho;xy. In principle, &rho;xx is an indirect measure of the density of states at the Fermi level g(&epsilon;F), so that the peaks indicate when the Fermi level &epsilon;F crosses a Landau level. Therefore, a density-B-field diagram n2D-B of the &rho;xx ~ g(&epsilon;F) peaks shows a topological map of the electronic structure of the system. In two-subband systems, &rho;xx( n2D, B) shows ringlike structures due to crossings of spin-split Landau levels from distinct subbands [experiments from the group of Prof. Jiang (UCLA)] that could lead to ferromagnetic instabilities. We study these instabilities using the density functional theory (DFT) to calculate the electronic structure, and Ando\'s model (Kubo formalism) for &rho;xx and &rho;xy. At higher temperatures (340 mK) we also obtain the ringlike structures in &rho;xx. At lower temperatures (70 mK) we see broken rings due to quantum Hall ferromagnetic phase transitions. Tilting B by theta with respect to the 2DEG normal we find that the ring structure shrinks. Our results show that the angle of full collapse depends on a competition between the exchange term from the Coulomb interaction (Pauli principle) and the anticrossing of Landau levels due to the finite angle theta. Additionally, at the instabilities we observe hysteresis. Sweeping the B field up or down near these regions we obtain two different solutions with distinct total energies, corresponding to the ground state and an excited state of the many-body system. This result, together with previous results of our group [Freire & Egues (2007)], are the first realizations of the theoretical prediction of the possibility of excited states as local minima of the ground state energy functional [Perdew & Levy (1985)]. The model proposed here shows an excellent agreement with the experiments. Additionally, the systematic and experimentally verified observation of excited states corroborates the predictions of Perdew & Levy. Similar ideas as presented here when applied to the electronic structure and conductance of quantum wires with an in-plane magnetic field show ferromagnetic instabilities at crossings of the wire transverse modes [Master Thesis of Filipe Sammarco, IFSC/USP], also with excellent experimental agreement. This strengthen the range of validity of the model proposed in this Thesis.

A interação spin-órbita tem desempenhado um papel crucial no desenvolvimento de dispositivos semicondutores de baixa dimensionalidade. Em resultados recentes abordando o modelo de Kane para sistemas cúbicos, particularmente redes zincblende, hamiltonianos efetivos são calculados por meio da técnica algébrica conhecida como folding down seguida de um processo de linearização até segunda ordem no inverso do gap de energia com a devida correção na normalização do espinor da banda de condução [PRL 99, 076603 (2007); PRB 78, 155313 (2008)]. Motivados por estes estudos, este trabalho se concentra no estudo algébrico da estrutura eletrônica de semicondutores de rede wurtzita. Usando as simetrias da rede hexagonal, o modelo de Kane 8 × 8 é formulado levando em conta todos os acoplamentos mediados pelos operadores momentum linear e angular de spin. Mostramos que a base de oito estados vinda da diagonalização exata da matriz associada à interação spin-órbita fornece um tratamento unificado entre os sistemas hexagonal e cúbico, o que pode ser muito útil no estudo de politipismos. Através de um modelo efetivo baseado na expansão em ordens do inverso do gap de energia, determinamos a equação que descreve o comportamento de um elétron de condução em poços quânticos e em estruturas semicondutoras na fase bulk. Em particular, destacamos a presença de massas efetivas e a emergência de uma interação dependente em spin na forma do operador helicidade no plano já em primeira ordem de aproximação, algo não observado em sistemas cúbicos. A heteroestrutura é investigada no âmbito do modelo de uma e duas subbandas dos poços quânticos das junções semicondutoras. Incluindo o campo de radiação, encontramos a equação efetiva que descreve a interação elétron-fóton analisando ainda as taxas de transição óptica do sistema. Observa-se que as transições ópticas são diretamente mediadas por spin e dependem da direção de incidência do fóton seja no poço quântico ou na monoestrutura semicondutora. Uma vez que estas transições ópticas induzem a mudança na orientação do spin eletrônico, estes resultados podem ser úteis na construção de novos dispositivos optoeletrônicos tendo a wurtzita como cenário. Considerando o hamiltoniano em primeira ordem no inverso do gap de energia relativo ao modelo de uma subbanda, verificamos que a evolução temporal do operador posição do elétron de condução varia linearmente no tempo e não exibe o efeito Zitterbewegung. Associado a evolução temporal dos operadores de spin que oscilam no tempo, o movimento linear garante a formação de um campo harmônico onde os spins precessam. Como apontado no caso cúbico, a precessão do spin de elétrons injetados no poço quântico sob polarização de 45&deg; pode levar à formação spin gratings devido ao espaçamento da ordem de alguns nanômetros destas entidades. Calculamos ainda o shift no vetor de onda de elétrons injetados no canal semicondutor do transitor Datta-Das formado por redes wurtzita. / The spin-orbit interaction has played a crucial role in the development of low-dimensional semiconductor devices. In recent results addressing the 8 × 8 Kane model for cubic systems, particularly zincblende lattices, effective hamiltonians for the conduction band are calculated in a semi-analytical way. By folding down the Kane hamiltonian, the spinor components in the conduction band are isolated, resulting in an equation having the energy in denominators. Through a linearization process, controlled by a power expansion in the inverse of the energy gap, the energy is removed from the denominators and an effective hamiltonian is obtained. In a zincblende system, terms dependent on spin only appear in the effective hamiltonian of second order in the inverse of the energy gap of a heterostructure [PRL 99, 076603 (2007); PRB 78, 155313 (2008)]. In this masters thesis we apply this semi-analytical procedure to generate effective hamiltonians for the conduction band of wurtzite systems. Using the symmetries of the hexagonal lattice, the 8 × 8 Kane model is reviewed by taking into account all couplings mediated by the linear momentum and spin angular momentum. We show that exists an unified treatment for the Kane model of zincblende and wurtzite systems, which can be very useful in studies with nanowhiskers. We have found a first-order effective Hamiltonian having terms dependent on spin even in the bulk case. One of these spin-dependent terms is the helicity operator. The spin-orbit interaction only appears in the second order expansion. Considering the first order hamiltonian, we have calculated the Zitterbewegung effect and discussed the Datta-Das transistor. We have found that only the spin operators exhibit the Zitterbewegung effect. The linear dependence with time shown by the position operators make of the spin operators harmonic fields, which form spin grattings similar to those found in zincblende heterostructures (persistent spin helix). We have also included a radiation field and calculated the (direct) optical transitions assisted by spin. We have found that the transition rates are harmonic functions of the incidence angle.

Neste trabalho, nossa principal motivação foi o entendimento da dinâmica de pacotes de onda em isolantes topológicos 2D. Como excitações de carga se movem nesses materiais? De que maneira essas trajetórias dependem das condições iniciais, e de que forma as condições de contorno influenciam nessa dinâmica? Essas foram algumas das perguntas que guiaram nosso trabalho. Através de simulações computacionais, estudamos o movimento de pacotes de onda gaussianos em poços quânticos de HgTe/CdTe. O comportamento de isolante topológico para essa heteroestrutura foi prevista teoricamente no importante trabalho de Bernevig et al. (Science, vol. 314, no. 5806, 2006) e confirmada experimentalmente por König et al. (Science, vol. 318, no. 5851, 2007). Estudando-se a evolução temporal desse sistema, foi possível observar trajetórias que dependem de forma evidente, não apenas da orientação de spin, mas também da orientação de um pseudo-spin proveniente do modelo BHZ. Em sistemas com condições de contorno periódicas em ambas as dimensões e sem a aplicação de campos externos, foram observadas trajetórias com formato de espiral, acompanhadas por um \"side-jump\" dependente da direção do spin e do pseudo-spin. Em especial, para o caso em que o pseudo-spin está inicialmente orientado na direção-z, as trajetórias espiraladas foram subtituidas por um padrão do tipo \"zitterbewegung\" dependente de um potencial de \"bias\". Para sistemas confinados com bordas impenetráveis, observou-se a formação de estados de borda helicais característicos de isolantes topológicos. / In this work, our main motivation was the understanding about the dynamics of wave packets in 2D topological insulators. How charge excitations move throughout theses materials? In what way their trajectories depend on the initial conditions, and how boundary conditions change this dynamics? These were some of the questions that have guided us in our work. Using numerical simulations, we have studied the movement of gaussian wave packets in HgTe/CdTe quantum wells. The topological insulator behavior for this heterostructure was theoretically predicted on the important work conducted in 2006 by Bernevig et al. (Science, vol. 314, n. 5806, 2006), and experimentally confirmed by König et al. (Science, vol. 318, no. 5851, 2007) a year later. Studing the time evolution of this system, was possible to observe trajectories that depend evidently, not only from the spin projection, but also from the pseudospin orientation coming from the BHZ model. From simulations with periodic boundary conditions in both of the two dimensions, and without the application of any external fields, we observed spiral trajectories accompanied by a spin and pseudospin dependent side-jump. Especially, for the case in which the pseudospin was iniatially oriented in \"z\" direction, the spiral trajectories were replaced by a pattern of the type \"zitterbewegung\" dependent of a bias potential. For the confined systems with barriers of hardwall type, was observed the formation of helical edge states, that is the fingerprint of topological insulators.

Since a decade, spintronics and related physics have attracted considerable attention due to the massive research conducted in these areas. The main reason for growing interest in these fields is the expectation to use the electrons spin instead of or in addition to the charge for the applications in spin-based electronics, quantum information, and quantum computation. A prime concern for these spins to be possible candidates for carrying information is the ability to coherently control them on the time scales much faster than the decoherence times. This thesis reports on the spin dynamics in two-dimensional electron gases hosted in artificially grown III-V semiconductor quantum wells. Here we present a series of experiments utilizing the techniques to optically control the spin polarization triggered by either optical or electrical methods i.e. well known pump-probe technique and current-induced spin polarization. We investigated the spin coherence in high mobility dense two-dimensional electron gas confined in GaAs/AlGaAs double and triple quantum wells, and, it\'s dephasing on the experimental parameters like applied magnetic field, optical power, pump-probe delay and excitation wavelength. We have also studied the large spin relaxation anisotropy and the influence of sample temperature on the long-lived spin coherence in triple quantum well structure. The anisotropy was studied as a function sample temperature, pump-probe delay time, and excitation power, where, the coherent spin dynamics was measured in a broad range of temperature from 5 K up to 250 K using time-resolved Kerr rotation and resonant spin amplification. Additionally, the influence of Al concentration on the spin dynamics of AlGaAs/AlAs QWs was studied. Where, the composition engineering in the studied structures allows tuning of the spin dephasing time and electron g-factor. Finally, we studied the macroscopic transverse drift of long current-induced spin coherence using non-local Kerr rotation measurements, based on the optical resonant amplification of the electrically-induced polarization. Significant spatial variation of the electron g-factor and the coherence times in the nanosecond scale transported away half-millimeter distances in a direction transverse to the applied electric field was observed. / Há uma década, a spintrônica e outras áreas relacionadas vêm atraindo considerável atenção, devido a enorme quantidade de pesquisa conduzidas por elas. A principal razão para o crescente interesse neste campo é a expectativa da aplicação do controle do spin do elétron no lugar ou em adição à carga, em dispositivos eletrônicos e informação e computação quânticas. A possibilidade destes spins carregarem informação depende, primeiramente, da habilidade de controlá-los coerentemente, em uma escala de tempo muito mais rápida do que o tempo de decoerência. Esta tese trata da dinâmica de spins em gases de elétrons bidimensionais, em poços quânticos de semicondutores III-V, crescidos artificialmente. Nós apresentamos uma série de experimentos, utilizando técnicas para o controle ótico da polarização de spin, desencadeadas por métodos óticos ou eletrônicos, ou seja, técnicas conhecidas de bombeio e prova e polarização de spin induzida por corrente. Nós investigamos a coerência de spin em gases bidimensionais, confinados em poços quânticos duplos e triplos de GaAs/AlGaAs e a dependência da defasagem com parâmetros experimentais, como campo magnético externo, potência ótica, tempo entre os pulsos de bombeio e prova e comprimento de onda da excitação. Também estudamos a grande anisotropia de relaxação de spin como função da temperatura da amostra, potência de excitação e defasagem entre bombeio e prova, medidos para uma vasta gama de temperatura, entre 5K e 250K, usando Rotação de Kerr com Resolução Temporal (TRKR) e Amplificação Ressonante de Spin (RSA). Além disso estudamos a influência da concentração de Al na dinâmica dos poços de AlGaAs/AlAs, para o qual a engenharia da composição da estrutura permite sintonizar o tempo de defasagem de spin e o fator $ g $ do elétron. Por fim, estudamos a deriva transversal macroscópica da longa coerência de spin induzida por corrente, através de medidas de Rotação de Kerr não-locais, baseadas na amplificação ressonante ótica da polarização eletricamente induzida. Observamos uma variação espacial significante do fator $ g $ e do tempo de vida da coerência, na escala de nanosegundos, deslocada distâncias de meio milímetro na direção transversa ao campo magnético aplicado.

O efeito Hall quântico surge em gases de elétrons bidimensionais (2DEG) na presença de altos campos magnéticos B. O campo magnético quantiza o movimento planar dos elétrons em órbitas ciclotrônicas caracterizadas pelos níveis de Landau. Neste regime a resistividade transversal (ou Hall) &rho;xy em função de B exibe platôs em submúltiplos inteiros de e2/h, i.e., &rho;xy = &nu;-1 e2/h, sendo &nu; o fator de preenchimento dos níveis de Landau. Por sua vez, a resistividade longitudinal &rho;xx apresenta picos nas transições entre platôs de &rho;xy. Em primeira instância, &rho;xx é uma medida indireta da densidade de estados no nível de Fermi g(&epsilon;F), e os picos dos mesmos indicam cruzamentos do nível de Fermi &epsilon;F com niveis de Landau. Assim, o diagrama de densidade de elétrons n2D e B dos picos de &rho;xx ~ g(&epsilon;F) fornece um mapa topológico da estrutura eletrônica do sistema. Em sistemas de duas subbandas, &rho;xx(n2D, B) exibe estruturas em forma de anel devido a cruzamentos de níveis de Landau de subbandas distintas [experimentos do grupo do Prof. Jiang (UCLA)]. Estes cruzamentos podem ainda levar a instabilidades ferromagnéticas. Investigamos estas instabilidades usando a teoria do funcional da densidade (DFT) para o cálculo da estrutura eletrônica, e o modelo de Ando (formalismo de Kubo) para o cálculo de &rho;xx e &rho;xy. Para temperaturas mais altas (340 mK) obtemos as estruturas em forma de anel em &rho;xx. Para temperaturas mais baixas (70 mK), observamos uma quebra dos anéis devido a transições de fase ferromagnéticas. Variando-se o ângulo &theta; de B com relação ao 2DEG observa-se o encolhimento do anel. Nossos resultados mostram que o ângulo de colapso total do anel depende de uma competição entre o termo de troca da interação de Coulomb (princípio de Pauli) e cruzamentos evitados devido ao ângulo &theta; finito. As transições de fase exibem ainda o fenômeno de histerese. Na região de instabilidade ferromagnética obtemos diferentes soluções variando B de forma crescente ou decrescente. Estas soluções possuem energias total diferentes, de forma que representam estados fundamental e excitado de muitos corpos. Esta observação, juntamente com resultados anteriores do grupo [Freire & Egues (2007)], representam as primeiras realizações teóricas da previsão da possibilidade de estados excitados como mínimos locais do funcional de energia do estado fundamental [Perdew & Levy (1985)]. O modelo aqui proposto fornece excelente acordo com os experimentos considerados. Adicionalmente, a observação sistemática e experimentalmente verificada dos estados excitados valida as previsões de Perdew & Levy. Aplicamos ainda estas mesmas ideias no cálculo da estrutura eletrônica e condutância de fios quânticos na presença de campos magnéticos, mostrando que cruzamentos de modos transversais também exibem instabilidades ferromagnéticas observadas em experimentos recentes [Dissertação de Mestrado de Filipe Sammarco, IFSC/USP], fortalecendo a validade do modelo apresentado nesta tese. / The quantum Hall effect arises in two dimensional electron gases (2DEG) under high magnetic fields B. The magnetic field quantizes the planar motion of the electrons into cyclotron orbits given by the Landau levels. In this regime the transversal (Hall) resistivity &rho;xy shows plateaus as a function of B at integer sub-multiples of e2/h, i.e., &rho;xy = &nu;-1 e2/h, where n is the filling factor of the Landau levels. The longitudinal resistivity &rho;xx shows peaks at the transition between the plateaus of &rho;xy. In principle, &rho;xx is an indirect measure of the density of states at the Fermi level g(&epsilon;F), so that the peaks indicate when the Fermi level &epsilon;F crosses a Landau level. Therefore, a density-B-field diagram n2D-B of the &rho;xx ~ g(&epsilon;F) peaks shows a topological map of the electronic structure of the system. In two-subband systems, &rho;xx( n2D, B) shows ringlike structures due to crossings of spin-split Landau levels from distinct subbands [experiments from the group of Prof. Jiang (UCLA)] that could lead to ferromagnetic instabilities. We study these instabilities using the density functional theory (DFT) to calculate the electronic structure, and Ando\'s model (Kubo formalism) for &rho;xx and &rho;xy. At higher temperatures (340 mK) we also obtain the ringlike structures in &rho;xx. At lower temperatures (70 mK) we see broken rings due to quantum Hall ferromagnetic phase transitions. Tilting B by theta with respect to the 2DEG normal we find that the ring structure shrinks. Our results show that the angle of full collapse depends on a competition between the exchange term from the Coulomb interaction (Pauli principle) and the anticrossing of Landau levels due to the finite angle theta. Additionally, at the instabilities we observe hysteresis. Sweeping the B field up or down near these regions we obtain two different solutions with distinct total energies, corresponding to the ground state and an excited state of the many-body system. This result, together with previous results of our group [Freire & Egues (2007)], are the first realizations of the theoretical prediction of the possibility of excited states as local minima of the ground state energy functional [Perdew & Levy (1985)]. The model proposed here shows an excellent agreement with the experiments. Additionally, the systematic and experimentally verified observation of excited states corroborates the predictions of Perdew & Levy. Similar ideas as presented here when applied to the electronic structure and conductance of quantum wires with an in-plane magnetic field show ferromagnetic instabilities at crossings of the wire transverse modes [Master Thesis of Filipe Sammarco, IFSC/USP], also with excellent experimental agreement. This strengthen the range of validity of the model proposed in this Thesis.