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Magnetization dynamics in nanocontact vortex based oscillators
No full textCette thèse décrit le comportement dynamique des vortex magnétiques dans une structure comprenant un nanocontact sur une multicouche magnétique dans la configuration vanne de spin. Notre approche a couvert des aspects expérimentaux principalement basés sur des mesures électriques cryogéniques micro-ondes, et des aspects théoriques analytiques basés sur le formalisme de Thiele ainsi que des aspects théoriques numériques par le biais de simulations micromagnétiques. La première partie du travail a été consacrée à la compréhension de la dynamique hyperfréquence d'un vortex situé dans la couche ferromagnétique libre, lorsque le couple de transfert de spin met le vortex en mouvement gyrotropique permanent autour du nanocontact. La seconde partie du travail a été consacrée à la compréhension du processus de nucléation du vortex telle qu'induite par la combinaison du champ Ampérien et du transfert de spin. La dépendance de la nucléation envers température et indirectement envers en champ d'anisotropie d'échange a été étudiée, et modélisé en validant l'hypothèse de la création d'un paire vortex-antivortex dans la couche piégée de la vanne de spin.This thesis describes the dynamical behavior of a magnetic vortex structure occuring in a system comprising a nano-contact on a magnetic multilayer which is in the spin valve configuration. Our approach covered experimental aspects mainly based on cryogenic microwave measurements, together with analytical theory based on the formalism of Thiele and numerical modeling through micromagnetic simulations. The first part of the work was devoted to the understanding of the microwave dynamics of a vortex located in the ferromagnetic free layer, when the spin transfer torque puts the vortex in permanent gyrotropic motion about the nanocontact. The second part of the work was devoted to the understanding of the process of the nucleation of a vortex, as induced by the combination of Ampére field and spin transfer torques. In the pinned layer, the dependence of the nucleation on the temperature and indirectly on the exchange bias field has been studied. It has been modelled by the creation of a vortex-antivortex pair in the pinned layer of the spin valve
Couplage d'ondes de spin et d'ondes acoustiques de surface pour les composants hyperfréquences
No full textLes appareils de radiofréquence (RF) jouent un rôle important dans notre vie quotidienne. Ces appareils utilisent les ondes acoustiques de surface (SAW) - ondes acoustiques se déplaçant à la surface d'un solide déformé - pour effectuer des opérations complexes de filtrage des signaux, de détection, et de circuits hyperfréquences. Pour fonctionner à des fréquences supérieures à 3,7 GHz, les dispositifs SAW doivent surmonter deux limitations : 1) l'absence d'accordabilité du dispositif et 2) l'absence de SAW non réciproques. L'hypothèse centrale de cette thèse conciste à surmonter ces limitations : Le couplage des ondes acoustiques de surface (SAW) avec les ondes de spin (SW) peut être un moyen de surmonter l'absence d'accordabilité et de non-réciprocité dans les dispositifs SAW correctement conçus. Les SW sont des excitations magnétiques qui présentent une propagation anisotrope et une non réciprocité. Dans ce manuscrit, nous étudions l'interaction SAW-SW dans des hétérostructures composées de films de CoFeB déposés sur le substrat piézoélectrique de pointe LiNbO₃ pour des dispositifs SAW à haute fréquence. Nous donnons une brève introduction à la physique micromagnétique et élastomagnétique, y compris la description de deux mécanismes, magnétoélastique et magnétorotation, que nous mettons en œuvre pour comprendre l'interaction SAW-SW. Dans l'hétérostructure CoFeB / LiNbO₃, nous avons mis en évidence une symétrie d'ordre 2 du couplage SAW-SW différente de celle de la littérature d'une symétrie d'ordre 4. Nous avons ajusté les résultats expérimentaux en calculant la puissance absorbée dans le film magnétique. Nous en avons déduit que cette symétrie d'ordre 2 pouvait s'expliquer par l'anisotropie uniaxiale du film magnétique. Nous avons également étudié les SW dans des systèmes à fort contraste d'aimantation tels que les antiferromagnétiques synthétiques (SAF). Dans les SAF, certaines orientations de propagation des SW leur permettent d'être fortement non-réciproques et induisent en outre un flux d'énergie unidirectionnel dans le système. Nous avons fourni des mesures magnéto-optiques et électriques, mais aussi des simulations théoriques et micromagnétiques pour comprendre mieux les dynamiques de SW dans le SAF. Enfin, nous donnons des perspectives pour la prochaine génération de dispositifs SAW en exploitant les formalismes présentés dans ce manuscrit.Radio-frequency (RF) devices play an important role in our everyday life. RF devices use surface acoustic waves (SAW) -- acoustic waves traveling on the surface of a deformed solid -- to perform complex signal filtering operations, sensing, and microwave circuitry. To operate at higher frequencies than 3.7 GHz, SAW devices must overcome two limitations: 1) the absence of device tunability and 2) the absence of non-reciprocal SAWs. Overcoming these limitations comprises this thesis's central hypothesis: Coupling surface acoustic waves (SAW) with spin waves (SW) may be a route to overcome the absence of tunability and non-reciprocity in properly designed SAW devices. SWs are elementary magnetic excitations exhibiting anisotropic propagation and non-reciprocity. In this manuscript, we study the SAW-SW coupling in heterostructures comprised of CoFeB films deposited on top of the state-of-art piezoelectric substrate LiNbO₃ for high frequency SAW devices. We give a brief introduction of micromagnetic and elastomagnetic physics, including the description of two mechanisms, magnetoelastic and magnetorotation, that we implement to understand the SAW-SW interaction. In the heterostructure CoFeB / LiNbO₃ we evidenced a 2-fold symmetry of SAW-SW coupling different from the 4-fold symmetry given in literature. We fit experimental results by calculating the absorbed power in the magnetic film. We deduced that a posible reason to this 2-fold symmetry is the uniaxial anisotropy within the magnetic film. We investigated also SWs in systems with high magnetization contrast such as synthetic antiferromagnets (SAF). In SAF, certain propagation orientations of SWs allowed them to be highly non-reciprocal and furthemore inducing a unidirectional flow of energy in the system. We provide magneto-optical, electrical measurements but also theoretical and micromagnetic simulation to understand the SW dynamics in SAF. Last but not least, we give perspectives for the next generation of SAW devices exploiting the results gven in this manuscript
Mesures inductives de la dynamique linéaire et des processus non linéaires des ondes de spin dans les antiferromagnétiques synthétiques
No full textLes ondes de spin sont des excitations élémentaires de l’ordre ferromagnétique, et leurs propriétés, notamment la non-linéarité, les rendent intéressantes pour des applications comme le calcul neuromorphique et les dispositifs logiques magnoniques. Les antiferromagnétiques synthétiques (SAFs), constitués de deux couches ferromagnétiques séparées par une couche non magnétique, permettent une aimantation antiparallèle grâce à un couplage inter-couches. Ce couplage confère aux SAFs une grande flexibilité, les rendant particulièrement adaptés à l’étude de la non-linéarité des ondes de spin. L’utilisation des SAF nécessite une compréhension approfondie des propriétés magnétiques et de leur corrélation avec la structure du matériau. Nous avons établi une procédure pour quantifier le couplage d’échange inter-couches et la rigidité d’échange intra-couches, appliquée à une structure Co₄₀Fe₄₀B₂₀ (tmag)/Ru (0.7 nm)/CoFeB (tmag) ultra-lisse et amorphe. L’interaction entre ces échanges crée un gradient d’orientation d’aimantation dans l’épaisseur de l’empilement, modifiant l’hystérésis et les modes propres d’ondes de spin. Nous avons mesuré la dépendance fréquence-champ des quatre premiers modes d’ondes de spin confinées dans l’épaisseur, et modélisé ces fréquences à l’aide de simulations micromagnétiques. Les résultats ont permis de déduire les paramètres qui décrivent le mieux le comportement de l’échantillon. La rigidité d’échange est Aex = 16 ± 2 pJ/m, indépendante de l’épaisseur du film. Le couplage d’échange inter-couches commence de -1,7 mJ/m2 pour les couches les plus fines et peut se maintenir au-dessus de -1,3 mJ/m2 pour des couches de CoFeB aussi épaisses que 40 nm. La dépendance fréquence-champ a permis d’identifier des conditions favorisant les interactions non linéaires. Pour certaines configurations du champ magnétique statique appliqué HDC, la fréquence du mode acoustique (fac) devient la moitié de celle du mode optique (fop), ce qui favorise l’étude des phénomènes non linéaires dans les SAFs. Nous avons développé un dispositif expérimental basé sur la spectroscopie d’ondes de spin propagative, et étudié inductivement les processus non linéaires en variant HDC, la fréquence de pompage, ainsi que la puissance des micro-ondes. Deux phénomènes majeurs ont été observés : des doublets proches de fpump/2 indiquant un processus de division à trois magnons, où un magnon optique à fpump se divise en deux magnons acoustiques à fpump/2-δ et fpump/2+δ, ainsi qu’un halo autour de fpump, qui pourrait être un processus de diffusion à quatre magnons, dans lequel deux magnons optiques à fpump s’annihilent et créent deux nouveaux magnons optiques. Le processus de division à trois magnons a été étudié sur un dispositif fabriqué par lithographie optique, comprenant une antenne à fil unique de 1,8 μm de large. Nous avons montré que la population de magnons acoustiques créés varie de manière exponentielle avec l’amplitude des excitations RF au-delà d’un certain seuil de 1,8 mT. Afin d’étudier la dynamique de création de magnons, nous avons appliqué des impulsions rf de différentes durées, et avons développé un modèle analytique comparé aux résultats expérimentaux pour déterminer le taux de croissance de la population du mode acoustique. Pour étudier les ondes de spin dans des géométries nanométriques confinées, de nouveaux dispositifs ont été fabriqués par lithographie à faisceaux d’électron. Ces dispositifs contiennent des antennes en forme de U, de 100 nm et 150 nm de large, placées au-dessus de conduits magnétiques, permettant l’excitation sur une grande plage de vecteurs d’onde ∆k = 10 rad/μm, correspondant à un intervalle de fréquence de ∆f = 4,13 GHz. En comparaison, l’antenne de 1,8 μm de large excite une plage de vecteurs d’onde plus étroite ∆k = 2 rad/μm correspondant à ∆f = 0,64 GHz.Spin waves are the eigen-excitations of magnetic materials. They exhibit specific properties such as nonlinearity. This property makes them potentially suitable for applications in neuromorphic computing and magnonic logic devices. Synthetic antiferromagnets (SAFs), composed of two ferromagnetic layers separated by a non-magnetic layer that favors antiparallel magnetizations, are particularly effective for studying the nonlinearity of spin waves. A comprehensive understanding of the magnetic properties of SAFs is essential before exploring their nonlinear properties. The interlayer coupling is a degree of freedom that confers a large tunability to SAFs, which allows their customization in several spintronics applications. The efficient use of this magnetic configuration requires an in-depth understanding of the magnetic properties and their correlation with the material structure. We established a reliable procedure to quantify the interlayer exchange coupling and the intralayer exchange stiffness in SAF. We applied this procedure to the ultrasmooth and amorphous Co₄₀Fe₄₀B₂₀ (tmag)/Ru (0.7 nm)/CoFeB (tmag) structure. The complex interplay between the two exchange interactions results in a gradient of the magnetization orientation across the thickness of the stack, which alters the hysteresis and the spin wave eigenmodes of the stack in a nontrivial way. We measured the frequency-field dependence of the first four spin waves confined within the thickness of the stack. We modeled these frequencies and the corresponding thickness profiles of these spin waves using micromagnetic simulations. The comparison with the experimental results allows us to deduce the magnetic parameters that best account for the sample behavior. The exchange stiffness is Aex = 16 ± 2 pJ/m, independent of the film thickness. The interlayer exchange coupling starts from -1.7 mJ/m2 for the thinnest layers and it can be maintained above -1.3 mJ/m2 for CoFeB layers that are as thick as 40 nm. Frequency-field dependence allows the identification of conditions that exhibit nonlinear interactions. For specific configurations of the applied static magnetic field HDC the frequency of the acoustic magnon mode (fac) becomes half of the optical magnon mode frequency (fop), a favorable condition to investigate nonlinear phenomena in SAF. We developed an experimental setup based on propagating spin wave spectroscopy and we investigated the nonlinear processes inductively by varying the applied field HDC, the pumping frequency and the microwave power arriving at the simple. Two phenomena are observed: the doublets near fpump/2 evidence a three-magnon process where one optical magnon at fpump split into two acoustic magnons at fpump/2 - δ and fpump/2 + δ. 2). A strong halo around fpump could be a four-magnon scattering process, in which two optical magnons at fpump annihilate and create two new optical magnons. We focused on the three-magnon splitting process on a device patterned by optical lithography, featuring a 1.8 μm wide single-wire antenna. We showed that the population of the created magnons varies exponentially with the amplitude of the rf excitations above a certain threshold, which is 1.8 mT. Furthermore, to explore the dynamics of magnon creation, we apply rf pulses with various durations. We developed an analytical model that we compared to the experiment to effectively determine the growth rate of the population of the acoustic mode. To investigate spin waves in confined nanometric geometries, we fabricated new devices using electron beam lithography that feature 100 nm and 150 nm wide U-shaped antennas on top of magnetic conduits. This enables the excitation over a large range of wavevectors ∆k = 10 rad/μm corresponding to a frequency interval of ∆f = 4.13 GHz. In contrast to the 1.8 μm wide antenna, which excites a narrower range of wavevectors ∆k = 2 rad/μm corresponding to ∆f = 0.64 GHz
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Nanomagnetic oscillators with time delayed feedback : Noise, chaos, and neuromorphic applications
No full textUne boucle de rétroaction à retard a lieu lorsque la sortie d’un système est utilisée pour modifier le signal d’entrée de ce dernier. Ce phénomène apparaît dans des domaines aussi variés que la physique des amplificateurs, la biologie de la régulation de l’insuline ou encore les sciences sociales. Les effets d’une boucle de rétroaction à retard sur un système électronique sont bien connus et ont donné lieu à de nombreuses applications : boucle à verrouillage de phase pour améliorer les propriétés stochastiques, boucle d’amplification ou de régulation, etc. Cependant ces effets ont étés relativement peu étudiés dans le cadre des systèmes nanomagnétiques. Dans ces travaux de thèse j'ai étudié théoriquement les conséquences d'une boucle de rétroaction à retard sur la dynamique de l'aimantation de trois différents systèmes nanométriques avec un objectif distinct pour chaque système. Le premier concerne un oscillateur à transfert de spin dont j’ai étudié les propriétés stochastiques. La rétroaction engendre de fortes variations de la largeur spectrale et fait apparaitre de bandes secondaires à larges retards. Le deuxième système étudié est l'oscillateur macrospin dans lequel des transitions chaotiques entre deux modes de précession (dans le plan de la couche et hors du plan) sont induites par la rétroaction. Je montre qu'il est possible d'exploiter de telle dynamique pour la génération de nombres aléatoires. Enfin le troisième système représente une implémentation d'un oscillateur du type « Mackey-Glass » avec une paroi de domaine piégée dans un ruban. En déformant cette paroi par courant polarisé de spin, et avec un choix judicieux du signal de sortie, je démontre que ce système peut servir comme élément de base pour une architecture temporelle d'un calculateur avec réservoir (« reservoir computer »), qui permet d'effectuer des tâches comme la prédiction des séries temporelles non linéaires.A delay feedback loop occurs when the output of a system is used to modify the input signal of the system. This phenomenon appears in fields as varied as the physics of amplifiers, the biology of insulin regulation or in social interactions. The effects of a delay feedback loop on an electronic system are well known and have given rise to many applications: phase-locked loops to improve stochastic properties, amplification or regulation loops, and so on. However, these feedback effects remain relatively unexplored in the context of nanomagnetic systems. In this thesis I have studied theoretically the consequences of delayed feedback on the magnetization dynamics of three different nanoscale systems with a separate focus for each system. The first involves spin-torque nano-oscillators whose stochastic properties and the impact of a feedback loop on them have been studied. It is found that significant changes can occur to the spectral linewidth, along with the appearance of secondary frequencies at large delays. The second system involves the macrospin oscillator, where I investigated how delayed feedback can induce chaotic transitions between the in-plane and out-ofplane precession states. These complex dynamics can be used to generate random numbers. The third system represents a proposal for implementing a Mackey-Glass oscillator using a domain wall racetrack-like geometry. By deforming this domain wall with spin polarized currents and with a suitable readout function, I show that this oscillator can be used for a time-delay architecture for reservoir computing. Tests of nonlinear time series prediction are conducted to evaluate the performance of this system
Role of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction on the field driven dynamic of magnetic domain wall in disordered films
No full textLe caractère ultra-mince de couches magnétiques y exacerbe les effets d’interfaces. Dans ces systèmes, l’interaction d'échange dite "de Dzyaloshinskii-Moriya" (DMI) est autorisée par la brisure de symétrie d'inversion inhérente aux interfaces. Contrairement à l’interaction d’échange de Heisenberg, la DMI favorise une rotation de l’état d’aimantation, et ce avec une chiralité donnée. L'existence de la DMI dans les films ultra-minces était jusqu’à récemment sujette à débat, de sorte qu'il est apparu nécessaire de la quantifier et de caractériser ses manifestations observables. En partenariat avec le National Institute of Materials Science, le laboratoire Aimé Cotton et le laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, j'ai caractérisé l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya dans des films de CoFeB/MgO avec différentes couches tampons. Ce système matériau d’intérêt technologique reste suffisamment simple pour permettre une modélisation sans équivoque. Les méthodes utilisées recouvrent le déplacement de paroi de domaine dans un régime de reptation par microscopie magnéto-optique, la cartographie des champs de fuite de paroi par centre NV et la spectroscopie d’onde de spin par diffusion Brillouin. Quand l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya est relativement faible, ces différentes méthodes s'accordent quant à son amplitude et son signe. Néanmoins dans le cas général, les différentes façons de mesurer de l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya ne convergent pas vers des valeurs consensuelles. Pour comprendre ces différences, j’ai modélisé le comportement des parois de domaine sous champ planaire. J’ai montré qu’il existe un domaine en champ planaire où l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya déstabilise les parois rectilignes en formant préférentiellement des parois en Zigzag. L’élasticité des parois de domaine en est dramatiquement modifiée. Le champ dipolaire dans les parois de domaine amplifie ce phénomène. La reptation de paroi nécessite aussi la bonne compréhension du piégeage des parois de domaine. J’ai développé un modèle permettant d’estimer les champs de dépiégeage en fonction des différents paramètres matériau. Ce modèle permet aussi d’expliquer le comportement à haute fréquence des parois dans les échantillons en présence de défauts d’anisotropie variable.In ultrathin ferromagnetic layer all interfacial effects are strongly enhanced. In these systems the so-called “Dzyaloshinskii-Moriya” exchange interaction (DMI) is allowed due to the inversion symmetry breaking at the interface. Unlike the Heisenberg exchange interaction, the DMI promotes rotation of the magnetization with a given chirality. Until recently, the DMI in ultrathin layer was a matter of debate and it has been needed to quantify and characterize its effects on the magnetization. In close relation with the National Institute of Materials Science, the laboratoire Aimé Cotton and the laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, I have characterized the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in CoFeB/MgO films with different underlayers. This materials system presents a technological interest while keeping a low complexity for models its dynamics easily. The diverse used methods cover the field driven creep dynamic observed by Magneto-Optical Kerr Effect microscopy, the mapping of dipolar field by NV-center magnetometer and the spin wave spectroscopy measured Brillouin Light Scattering. When the DMI is relatively weak these different methods are in accordance with its sign and its order of magnitude. However the different methods do not converge to similar DMI values. I used a model to understand the behavior of domain wall under in-plane magnetic field. I have shown that there is an in-plane field range where the DMI destabilize a straight domain wall while stabilizing Zig-Zag walls. The elasticity is then dramatically modified. The dipolar energy enhances this phenomenon. The domain wall creep also needs a good understanding of the domain wall pinning. I developed a model to estimate the depinning field with respect to the different material parameters. This model also allows explaining of the high frequency behavior of pinned domain wall in samples containing variable anisotropy defects
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Full text linkWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
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