Magnetization dynamics and pure spin currents in YIG/normal-metal systems

par Christian Hahn

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Grégoire de Loubens et de Olivier Klein.

Soutenue le 17-10-2014

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) .

Le jury était composé de Dirk Grundler, Chris Hammel, Dr Anane, Dr Vila, Dr Marangolo.

  • Titre traduit

    Dynamique de magnétisation et courants spin purs dans systèmes YIG/métal-normal


  • Résumé

    Le domaine de recherche de la spintronique vise a concevoir des dispositifs électroniques misant sur le degré de libre de spin pour transporter de l'information. An d'intégrer ces courants de spin dans des dispositifs électroniques, il est particulièrement intéressant d'étudier l'inter-conversion d'un pur courant de spin en un courant de charge par l'effet Hall de spin, ainsi que le transfert de moment angulaire entre les électrons de conduction d'un métal normal (NM) et l'aimantation d'un ferromagnétique (FM) (couple de transfert de spin / pompage de spin). An de mieux comprendre ces différentes interaction, cette thèse se concentre sur l'étude du système hybride constitué de la juxtaposition d'un ferrimagnétique isolant, le grenat d'yttrium fer (YIG), et d'un métal normal _a fort couplage spin-orbite (Pt ou Ta), nécessaire pour bénéficier de la polarisation en spin de l'interface par un courant électrique dans le plan. Nous avons étudié le pompage de spin et la magnétorésistance produite par l'effet Hall de spin a l'interface entre des bicouches de YIG j Pt et YIG j Ta, et ceci sur des lms étendus de YIG de 200 nm d'épaisseur, produits par épitaxie en phase liquide. Nous observons que la tension électrique, produite par l'effet Hall de spin inverse, change de signe entre du Pt et du Ta confirmant ainsi l'inversion des signes de l'angle de Hall entre ces deux matériaux. En outre, en mesurant la variation de la tension de Hall inverse en fonction de l'épaisseur de la couche de Ta, nous avons réussi à borner la longueur de diffusion de spin dans le Ta. Tant le YIG j Pt et le YIG j Ta affiche une variation semblable de la magnétorésistance a effet Hall de spin en fonction de l'orientation du champ magnétique. Pour étudier l'inuence interfaciale du pompage de spin…


  • Résumé

    Spintronics aims at designing electronic devices which capitalize on the spin degree of freedom to transport information using spin currents. In order to incorporate spin currents intoelectronic devices, it is particularly interesting to study the interconversion from a spin current, the motion of spin angular momentum, to a charge current (Spin Hall Effect) as well as the transfer of spin angular momentum between the conduction electrons of a normal metal (NM) and the magnetization of a ferromagnet (FM) (Spin Transfer Torque/Spin Pumping). To investigate the interplay of those effects this thesis studies hybrid systems of the ferromagnetic insulator Yttrium Iron Garnet and normal metals with large spin-orbit coupling, a prerequisite for spin Hall e_ect. We study spin pumping and spin hall magnetoresistance in YIGjPt and YIGjTa bi-layers using extended _lms of 200 nm thick YIG, grown by liquid phase epitaxy. The inverse spin Hall voltages in Pt and Ta confirm the opposite signs of spin Hall angles in these two materials. Moreover, from the dependence of the inverse spin Hall voltage on the Ta thickness, we constrain the spin di_usion length in Ta. Both the YIGjPt and YIGjTa systems display a similar variation of resistance upon magnetic eld orientation, the spin Hall magnetoresistance. To study the inuence of interfacial spin pumping and a possible reverse e_ect, it is desirable to work with thin _lm thicknesses. A high quality 20 nm thick YIG _lm was grown by pulsed laser deposition, showing a damping similar to that of bulk YIG. We use nano-lithography to pattern series of YIG(20nm) and YIG(20nm)jPt(13nm) discs with diameters between 300 and 700 nm. The ferromagnetic resonance (FMR) spectra of the individual sub-micron sized samples are recorded through magnetic resonance force microscopy. . Passing dc-current through micron sized YIGjPt disks reveal a variation of the FMR linewidth consistent with the geometry and amplitude of the expected SHE transfer torque. In the absence of exciting microwave _elds, a variation in the magnetization is detected when the dc-current reaches the expected threshold for auto oscillations.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Sorbonne Université. Bibliothèque de Sorbonne Université. Bibliothèque numérique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.