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Paris-Saclay
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Univ. Paris-Saclay
Calcul avec la dynamique non linéaire d'ondes de spin
Computing with nonlinear spin-wave dynamics

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

08/04/2021

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DE-LOUBENS Gregoire
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary
Dans les nanostructures magnétiques, les modes propres d'excitation (ondes de spin) sont couplés entre eux via des interactions non linéaires. L'idée est d'utiliser ce système dynamique pour accomplir des tâches de calcul neuromorphique.
In magnetic nanostructures, the excitation eigenmodes (spin-waves) are coupled together via nonlinear interactions. The main idea is to use this dynamical system to perform neuromorphic computing tasks.
Sujet détaillé/Full description
Les ondes de spin (OdS) sont les excitations collectives de l'aimantation dans les matériaux ferromagnétiques. Leur fréquence propre se situe typiquement dans la gamme GHz avec des longueurs de propagation de plusieurs microns en fonction de l'amortissement intrinsèque du matériau. En raison des interactions d'échange et dipolaires, leur dynamique est par nature non linéaire et présente une physique très riche. Dans les géométries confinées à base de couches minces, les OdS sont quantifiées avec un spectre fréquentiel contrôlé par les dimensions latérales de l'échantillon. Ce spectre d'OdS peut également être modifié par des stimuli externes comme un champ magnétique ou un couple de transfert de spin. Des stimuli de grande amplitude peuvent aussi déclencher des processus non linéaires comme la conversion de mode et les instabilités de mode, conduisant à une redistribution d'énergie entre OdS [1,2].

Au cours de ce stage, nous étudierons expérimentalement les possibilités offertes par les OdS dans des couches minces nanostructurées pour effectuer du reservoir computing [3]. Le mécanisme de contrôle de base est le couplage non linéaire entre OdS, qui permet aux modes propres orthogonaux de l'état d'équilibre d'interagir les uns avec les autres à mesure que leurs amplitudes augmentent. Parce qu'un tel couplage implique des événements de seuil [1], comme observé dans les neurones, il est possible de réaliser des tâches de calcul de nature cognitive, comme par exemple de la classification. Pour cela, nous réaliserons une spectroscopie multifréquence de nanostructures magnétiques à très faible amortissement dans le régime non linéaire [2]. Nous utiliserons un microscope de force à résonance magnétique, une technique de champ proche développée au laboratoire capable de détecter la dynamique d'OdS dans des nanoaimants individuels [4]. Pour analyser les résultats expérimentaux et identifier les configurations utiles pour le reservoir computing basé sur un réseau de neurones récurrent, nous nous appuierons également sur des simulations micromagnétiques basées sur un code python open source [5]. À moyen terme, cela pourrait permettre une implémentation hardware de reservoir computing reposant sur le concept de "liquid state machine" [6] aux fréquences GHz, qui serait utile entre autres pour le traitement des signaux de télécommunications.

Ce stage se déroulera dans le cadre de deux projets récemment financés, l'un par l'Europe (k-NET) et l'autre par l'ANR (MARIN), et se déroulera donc dans un environnement collaboratif.

[1] V. Naletov et al., Ferromagnetic resonance spectroscopy of parametric magnons excited by a four-wave process, Phys. Rev. B 75, 140405 (2007)
[2] Y. Li et al., Nutation Spectroscopy of a Nanomagnet Driven into Deeply Nonlinear Ferromagnetic Resonance, Phys. Rev. X 9, 041036 (2019)
[3] W. Maass et al., Real-time computing without stable states: A new framework for neural computation based on perturbations, Neural Computation 14, 2531 (2002)
[4] O. Klein et al., Ferromagnetic resonance force spectroscopy of individual submicron-size samples, Phys. Rev. B 78, 144410 (2008)
[5] http://micromagnetics.org/software/
[6] C. Fernando & S. Sojakka, Pattern Recognition in a Bucket in Lecture Notes in Computer Science, vol 2801 (2003)
Spin-waves (SWs) are the collective excitations of magnetization in ferromagnets. Their natural frequency is typically in the GHz range with propagation lengths over several microns depending on the intrinsic damping of the material. Due to exchange and dipole-dipole interactions, their dynamics is inherently nonlinear and can exhibit rich physics. In confined geometries like thin film waveguides and dots, SW modes are quantised with frequency spacings controlled by the lateral dimensions of the magnetic sample, which can be further modified by external stimuli such as applied magnetic fields or spin transfer torques. Large amplitude stimuli can trigger nonlinear processes like mode conversion and mode instabilities, resulting in the redistribution of energy between coupled SW modes [1,2].

During this internship, we will investigate experimentally the capacity of SWs in nanostructured thin films to perform reservoir computing [3]. The basic control mechanism is the nonlinear coupling between SWs, which allows orthogonal eigenmodes of the equilibrium state to interact with each other as their amplitudes increase. Because such coupling involves thresholding events [1], like for spiking neurons, we can achieve computational tasks with a cognitive nature like classification. For this, we will perform a multifrequency spectroscopy of ultra-low damping magnetic nanostructures in the nonlinear regime [2]. We will use a magnetic resonance force microscope, a home made near field technique able to sensitively detect SW dynamics in individual nanomagnets [4]. To analyze the experimental results and identify configurations useful for reservoir computing based on recurrent neural network, we will also rely on micromagnetic simulations based on an open source python code [5]. In the mid-term, this might allow for a new hardware implementation of reservoir computing that relies on the liquid state machine concept [6] at GHz frequencies, which could be useful for processing telecommunications signals.

This internship will take place in the context of two recently funded projects, one by Europe (k-NET), and another one by the French ANR (MARIN), and will therefore be conducted in a collaborative environment.

[1] V. Naletov et al., Ferromagnetic resonance spectroscopy of parametric magnons excited by a four-wave process, Phys. Rev. B 75, 140405 (2007)
[2] Y. Li et al., Nutation Spectroscopy of a Nanomagnet Driven into Deeply Nonlinear Ferromagnetic Resonance, Phys. Rev. X 9, 041036 (2019)
[3] W. Maass et al., Real-time computing without stable states: A new framework for neural computation based on perturbations, Neural Computation 14, 2531 (2002)
[4] O. Klein et al., Ferromagnetic resonance force spectroscopy of individual submicron-size samples, Phys. Rev. B 78, 144410 (2008)
[5] http://micromagnetics.org/software/
[6] C. Fernando & S. Sojakka, Pattern Recognition in a Bucket in Lecture Notes in Computer Science, vol 2801 (2003)
Mots clés/Keywords
Dynamique de l'aimantation ; nanomagnétisme ; magnonique ; systèmes dynamiques ; calcul neuromorphique
Magnetization dynamics ; nanomagnetism ; magnonics ; dynamical systems ; neuromorphic computing
Compétences/Skills
Microscopie à force magnétique ; techniques hyperfréquence ; simulations micromagnétiques
Magnetic force microscopy; high frequency techniques; micromagnetic simulations
Logiciels
Python
Films minces d’oxynitrures multiferroïques multifonctionnels pour l’opto-spintronique
Multifunctionnal multiferroic oxynitride thin films for opto-electronics

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARBIER Antoine
+33 1 69 08 39 23

Résumé/Summary
L'objectif de ce stage est d’élaborer des couches minces epitaxiées multiferroïques d’oxynitrures ferrite/pérovskite (CoFe2(OxN1-x)4/BaTi(OxN1-x)3) par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasmas azote et oxygène atomiques : un matériau ferroélectrique, ferrimagnétique et potentiellement sensible au spectre solaire. On procédera par dopage de films minces dont les conditions de croissance sont déjà maitrisées au laboratoire CEA/SPEC. On étudiera le potentiel d’application de ces films pour l’opto-spintronique au laboratoire, au C2N et au synchrotron-SOLEIL.
The objective of the internship is to grow epitaxial thin multiferroic ferrite/perovskite (CoFe2(OxN1-x)4/BaTi(OxN1-x)3 oxinitride films by oxygen and nitrogen plasma assisted molecular beam epitaxy: a potentially visible light sensitive ferroelectric and ferrimagnetic material. We will proceed by nitrogen doping of CoFe2O4/BaTiO3 for which the growth conditions are already mastered in the CEA/SPEC laboratory. Potential application to opto-spintronics will be studied in the laboratory, at C2N and at synchrotron-SOLEIL.
Sujet détaillé/Full description
La transition énergétique requiert le développement de nouveaux matériaux dédiés, en particulier, à la production d’énergie propre et/ou permettant des économies d’énergie et de matériaux dans les systèmes électroniques. Dans ce cadre, les oxynitrures constituent une classe de matériaux pertinents. Parmi ceux-ci, les composés ferroélectriques sont particulièrement bien adaptés pour réaliser des capteurs opto-spintroniques. L’insertion d’azote, moins électronégatif que l’oxygène, dans le réseau d’un oxyde engendre une augmentation du caractère covalent des liaisons chimiques. Cela se traduit par une diminution de la valeur du gap optique Eg et donc par une modification des propriétés d’absorption du composé. On s’attend également à de nouvelles propriétés de transport induite par le dopage par l’azote. La réalisation de films minces monocristallins d’oxynitrures est cependant délicate et a été peu étudiée à ce jour.

Nous allons explorer la possibilité de moduler les propriétés de couches minces multiferroïques laminaires de ferrites de cobalt (CoFe2O4, ferrimagnétique) déposées sur du titanate de Baryum (BaTiO3, ferroélectrique) dont nous maîtrisons déjà la croissance par l’adjonction d’un plasma azote durant la croissance. On étudiera l’influence du dopage azote sur les propriétés magnétiques au CEA/SPEC et ferroélectriques au C2N en fonction de l’épaisseur des couches et des paramètres de croissance. Les mesures ferroélectriques seront réalisées au C2N après lithographie. Idéalement, on s’attachera à quantifier le ratio entre la perte de ferroélectricité / ferrimagnétisme et le gain en sensibilité à la lumière. On pourra également envisager des mesures en utilisant les rayons X pour caractériser les matériaux élaborés sur les lignes DiffAbs, HERMES, DEIMOS et/ou CASSIOPEE au synchrotron SOLEIL.

L’étudiant(e) sera sous la responsabilité de S. Matzen pour son travail au C2N et sous la responsabilité de R. Belkhou (ligne HERMES) pour son activité au synchrotron SOLEIL.

Contacts : BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr ; Autres chercheurs impliqués : H. Magnan, S. Matzen (C2N), J.-B. Moussy et C. Mocuta (Synchrotron-SOLEIL). Lignes de lumières Synchrotron-SOLEIL associées au projet : HERMES (R. Belkhou), DEIMOS (P. Ohresser), CASSIOPEE (P. LeFevre)
Novel materials are required within the energy transition framework, in particular to produce clean energy and/or reduce electronic device consumption and overall materials usage. Within this context oxynitrides are a relevant class of materials. The ferroelectric ones are very well suited to realize opto-spintronic sensors. The insertion of nitrogen, less electronegative than oxygen, into the lattice of an oxide causes an increase in the covalent nature of the chemical bonds. This leads to a decrease of the optical gap, Eg, value and thus in a modification of the absorption properties of the compound as well as doping by charge carriers making it possible to envisage new transport properties. The production of single crystalline thin oxynitride films is however challenging and has been little studied to date.

We will explore the possibility of modulating the properties of thin laminar oxide multiferroic films of cobalt ferrite (CoFe2O4, ferromagnetic) deposited on barium titanate (BaTiO3, ferroelectric). Its growth conditions are already well mastered and we will proceed by the addition of nitrogen plasma during growth. We will study the influence of the N doping on the magnetic properties at CEA/SPEC and on the ferroelectric ones at C2N after lithography. Ideally, the ratio between the loss of ferroelectricity / ferrimagnetism and the gain of photosensitivity will be quantified. X-ray measurements may be used to characterize the material developed on the DiffAbs, HERMES, DEIMOS and/or CASSIOPEE beamlines at the SOLEIL synchrotron.

The student will be supervised by S. Matzen during his/her work at C2N and by R. Belkhou (HERMES beamline) during his/her work at synchrotron SOLEIL.

Contacts : BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr ; Other researchers : H. Magnan, S. Matzen (C2N), J.-B. Moussy and C. Mocuta (Synchrotron-SOLEIL). Synchrotron-SOLEIL beamlines associated with the project : HERMES (R. Belkhou), DEIMOS (P. Ohresser), CASSIOPEE (P. LeFevre)
Mots clés/Keywords
Oxynitrures, épitaxie par jets moléculaires, ferroélectricité, ferrimagnétisme, synchrotron, lithographie
Oxinitrides, molecular beam epitaxy, ferroélectricité, ferrimagnétisme, synchrotron, lithography
Compétences/Skills
Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène et azote. On utilisera la diffraction des électrons rapides (RHEED), la spectroscopie d’électrons Auger (AES), la photoémission des niveaux de coeur (XPS), la microscopie en champ proche (PFM), la microscopie électronique de basse énergie (LEEM), les mesures magnétiques (VSM), la lithographie et les mesures ferroélectriques (au C2N) et la diffraction des rayons X.
The candidate will address the UHV techniques associated with the growth by molecular beam epitaxy. The techniques that will be used are Reflexion High Energy Electron Diffraction (RHEED), Auger Electron Spectroscopy (AES), Photoemission core level spectroscopy (XPS), Piezo Force Microscopy (PFM), Low Energy Electron microscopy (LEEM), magnetic measurements (VSM), lithography and ferroelectric measurements at (C2N) and X-ray diffraction.
Imagerie sub-micronique des ordres multiferroiques
Sub-micron imaging of the different orders in multiferroics

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHAULEAU Jean-Yves
+33 1 69 08 72 17

Résumé/Summary
L'idée du stage est de développer une technique d'imagerie combinant le champ proche et la génération de seconde harmonique afin d'imager les matériaux multiferroiques avec une résolution largement sub-micrométrique.
The idea of ​​the internship is to develop an imaging technique combining near field and second harmonic generation in order to image multiferroic materials with a largely sub-micrometric resolution.
Sujet détaillé/Full description
Les antiferromagnétiques (AF) sont actuellement sous les feux de la rampe grâce à des percées récentes démontrant l'effet efficace des courants de spin pour interagir avec le paramètre d'ordre AF [1,2]. Jusqu'à présent, en raison du manque de magnétisation nette, le contrôle des distributions AF a été plutôt difficile. Le contrôle AF induit par le courant ouvre également de nouvelles perspectives dans la dynamique de l'aimantation térahertz. Côté matériaux, les antiferromagnétiques représentent la grande majorité des matériaux magnétiques et certains d'entre eux présentent plusieurs phases ordonnées simultanées en couplage. Ils sont communément appelés "multiferroïques".

En particulier, lorsque l'ordre AF est couplé à une polarisation nette, il peut être commandé en appliquant une tension. Les matériaux multiferroïques [3] font l'objet d'un intense effort de recherche en raison de l'intérêt technologique important des matériaux multifonctionnels ainsi que de la richesse de la physique fondamentale, issue du couplage de divers paramètres d'ordre. Parmi tous les multiferroïques, le BiFeO3 (BFO) est un matériau de choix car ses deux températures d'ordre (FE ferroélectrique et AF) sont bien supérieures à la température ambiante. De plus, un couplage magnétoélectrique important a été mis en évidence dans des monocristaux ainsi que dans des films minces. L'un des inconvénients des multiferroïques est que ces textures FE / AF peuvent être assez difficiles à mesurer. La génération de seconde harmonique, une approche d'optique non linéaire, s'est avérée être un moyen puissant et élégant d'imaginer des textures multiferroïques complexes et de démêler les différentes contributions en jeu [4].

Au CEA / SPEC, nous sommes expérimentés dans l'évaluation des distributions ferroélectriques et antiferromagnétiques avec une résolution submicronique [5]. Cependant, pour la plupart des systèmes, une telle résolution n'est pas suffisante car les domaines AF sont plutôt de l'ordre de 200 nm. Nous développons actuellement une nouvelle technique basée sur la microscopie optique à balayage en champ proche pour optimiser notre résolution spatiale. Les premiers résultats sont très encourageants car une résolution de 20 nm a pu être atteinte et il a été possible d'obtenir un premier signal de seconde harmonique.

Au cours du stage, l'étudiant sera formé à l'optique laser et réalisera des expériences d'optique non linéaire en champ proche. Idéalement, le stage se poursuivrait par un doctorat, car le sujet proposé fait partie d'un effort à long terme sur ces matériaux.

[1] T. Jungwirth, X. Marti, P. Wadley and J. Wunderlich Nature Nanotech. 11, 231 (2016) [2] P. Wadley and al. Science 351, 587 (2016) [3] N. Spalding and M. Fiebig, Science, 309, 391 (2005) [4] M. Fiebig & al., Nature, 419, 818, (2002) [5] J.-Y. Chauleau & al., Nature Materials, 16, 803, (2017)
Antiferromagnets (AF) are currently in the limelight thanks to recent breakthroughs demonstrating the efficient effect of spin currents in interacting with the AF order parameter [1,2]. So far, due to the lack of net magnetization, controlling AF distributions has been rather challenging. Current-induced AF control also opens new perspectives in Terahertz magnetization dynamics. On the materials side, antiferromagnets represent the large majority of magnetic materials and some of them show several simultaneous coupled ordered phases. They are commonly called ‘multiferroics’. As a result, when the AF order is coupled to a net polarization, it may be controlled by applying a voltage. Multiferroic materials [3] are the focus of an intense research effort due to the significant technological interest of multifunctional materials as well as the rich fundamental physics stemming in the coupling of various order parameters.

Among all multiferroics, BiFeO3 (BFO) is a material of choice because its two ordering temperatures (ferroelectric FE and AF) are well above room temperature. In addition, a large magnetoelectric coupling has been demonstrated in single crystals as well as in thin films. One downside of multiferroics is that these FE/AF textures can be rather challenging to assess. Second harmonic generation, a non-linear optical approach, has proven to be a powerful and elegant way to image complex multiferroïc textures and to untangle the different contributions at play [4]. In CEA/SPEC, we are experienced in assessing ferroelectric and antiferromagnetic distributions with sub-micron resolution [5]. However, for most systems, such a resolution is not enough as AF domains are rather in the 200nm range.

We are now developing a new technique based on Scanning Near-field Optical Microscopy to optimize our spatial resolution. Our first results are very encouraging as we are reaching 20nm resolution and we just obtained our first second harmonic signal.

During this internship, the student will be trained in laser optics and will perform near-field non-linear optics experiments. Ideally, the internship would continue in a PhD as the proposed subject is part of a long-term effort on these materials.

[1] T. Jungwirth, X. Marti, P. Wadley and J. Wunderlich Nature Nanotech. 11, 231 (2016) [2] P. Wadley and al. Science 351, 587 (2016) [3] N. Spalding and M. Fiebig, Science, 309, 391 (2005) [4] M. Fiebig & al., Nature, 419, 818, (2002) [5] J.-Y. Chauleau & al., Nature Materials, 16, 803, (2017)
Compétences/Skills
Microscopie optique, lasers ultra-rapides, dépôts de couches d'oxydes
Optical microscopy, ultra-fast lasers, oxide deposition
Mesure et réduction des champs de fuite de capteurs magnétiques magnétorésistifs
Measurement and reduction of stay fields emitted by magnetoresistive magnetic sensors

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PANNETIER-LECOEUR Myriam
+33 1 69 08 74 10

Résumé/Summary
Le but du stage est d’étudier les champs de fuite émis par des capteurs à magnétorésistance géante (GMR) en combinant des mesures de magnétométrie, de magnétotransport et de cartographie magnétique, et d’optimiser la structure des capteurs afin de les implémenter dans des microscopes magnétiques haute sensibilité.
The aim of the internship is to study the stray fields emitted by giant magnetoresistance (GMR) sensors by combining magnetometry, magnetotransport and magnetic mapping measurements, and to optimize the structure of the sensors in order to implement them in high-sensitivity magnetic microscopes.
Sujet détaillé/Full description
Un capteur à magnétorésistance géante est composé schématiquement de deux couches magnétiques séparées par un espaceur (M1/E/M2). L’une des couches (M1) est libre de suivre le champ magnétique à détecter pendant que l’aimantation de l’autre couche (M2) est fixe. L’effet de magnétorésistance géante ou tunnel induit une variation de la résistance en fonction de l’angle entre les aimantations des 2 couches permettant ainsi une détection du champ par la variation de résistance.
Le but du stage est d’étudier et de réduire les champs de fuite émis par les aimantations des deux couches magnétiques. En effet ces champs de fuite peuvent créer des perturbations sur le système à étudier dans le cas de cartographie magnétique par exemple et aussi rendre les performances des GMR fortement dépendantes de leur taille.
Durant le stage plusieurs techniques seront utilisées afin de mesurer les champs de fuite des capteurs : mesures de magnétométrie, de magnétotransport et de cartographie magnétique. Les champs de fuite des capteurs pourront être réduits en travaillant sur la structure et l’empilement des couches magnétiques qui est dans la pratique plus complexe que celui présenté schématiquement (M1/E/M2). Les dépôts seront réalisés par pulvérisation cathodique, puis les structures seront fabriquées par lithographie UV afin de pouvoir les caractériser.
A giant magnetoresistance sensor is schematically composed of two magnetic layers separated by a spacer (M1/E/M2). One of the layers (M1) is free to follow the magnetic field to be detected while the magnetization of the other layer (M2) is fixed. The effect of giant magnetoresistance or tunneling induces a variation of the resistance according to the angle between the magnetizations of the 2 layers allowing a detection of the field by the variation of resistance.
The aim of the internship is to study and reduce the stray fields emitted by the magnetizations of the two magnetic layers. Indeed these stray fields can create disturbances on the system to be studied in the case of magnetic mapping for example and also make the performance of GMRs strongly dependent on their size.
During the internship, several techniques will be used to measure the stray fields of the sensors: magnetometry, magnetotransport and magnetic mapping measurements. Sensor stray fields can be reduced by working on the structure and stacking of the magnetic layers, which is in practice more complex than the one presented schematically (M1/E/M2). The depositions will be made by sputtering, then the structures will be fabricated by UV lithography in order to be able to characterize them.
Mots clés/Keywords
Physique du solide- physique des matériaux
Solid state physics, material physics
Compétences/Skills
Pulvérisation cathodique, magnétotransport, magnétométrie VSM, cartographie magnétique (MFM)
Sputtering, magnetotransport, VSM magnetometry, magnetic mapping (MFM).
Microscopie magnétique locale par intégration de capteurs magnétorésistifs
Local magnetic microscopy with magnetoresitive sensor integration

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/06/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOLIGNAC Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary
Le but du stage est d’étudier l’effet de l’intégration de capteurs magnétiques magnétorésistifs dans des bras de levier flexibles de type AFM sur leurs performances. Les capteurs, destinés à être intégrés à un microscope magnétique, seront microfabriqués en salle blanche puis caractérisés en termes de magnétotransport et de bruit.
The aim of the internship is to study the magnetoresistive magnetic sensor integration in flexible cantilever on their performances. The sensors, destinated to be integrated in a scanning microscope, will be microfabricated in clean room and characterized in terms of magnetotransport and noise.
Sujet détaillé/Full description
Dans le but de caractériser les propriétés magnétiques de matériaux comme les aciers ou les nanoparticules, un microscope magnétique ultrasensible et quantitatif est développé au Laboratoire de Nanomagnétisme et Oxydes. Ce microscope combine un microscope sonde locale à balayage de type AFM (Atomic Force Microscope) et un capteur magnétique intégré dans un bras de levier AFM. Les capteurs magnétiques utilisés sont des capteurs à magnétorésistance géantes, basées sur l’électronique de spin et pouvant détecter des champs magnétiques de l’ordre du nT/√Hz.
Le but du stage sera d’étudier les performances des capteurs en termes de magnétorésistance et de bruit lorsqu’ils sont intégrés dans les bras de levier flexibles. La réponse des capteurs devra être optimisée en fonction de l’application visée. Le stage aura donc un aspect microfabrication en salle blanche et un aspect mesures de transport et de bruit, qui sera réalisé dans la chambre blindée de la plateforme Ultra Bas Bruit.
Les sondes développées seront ensuite intégrées dans le microscope afin de réaliser des images magnétiques.
In order to characterize the magnetic properties of materials such as steels or nanoparticles, an ultra-sensitive and quantitative magnetic microscope is being developed at the Nanomagnetism and Oxides Laboratory. This microscope combines a local scanning probe microscope of the AFM type (Atomic Force Microscope) and a magnetic sensor integrated in an AFM flexible cantilever. The magnetic sensors used are giant magnetoresistance sensors, based on spin electronics and capable of detecting magnetic fields in the order of nT/√Hz.
The aim of the internship will be to study the performance of the sensors in terms of magnetoresistance and noise when integrated into the flexible cantilever. The response of the sensors should be optimized according to the application. The internship will therefore have a microfabrication aspect in a clean room and a transport and noise measurement aspect, which will be carried out in the shielded room of the Ultra Low Noise platform.
The developed probes will then be integrated into the microscope to produce magnetic images.
Mots clés/Keywords
Capteur magnétique, microscopie sonde locale, magnétorésistance
Magnetic sensors, scanning probe microscopy, magnetoresistance
Compétences/Skills
Microscopie magnétique, micro fabrication, mesures magnéto-transport
Magnetic microscopy, microfabrication, magnetotransport measurements
Transport ultra-rapide de spins à travers un antiferromagnétique
Ultrafast pure spincurrent transport through antiferromagnets

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VIRET Michel
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary
Le but du stage est d'étudier la propagation ultra-rapide de courants de spin au travers d'un antiferromagnétique isolant.
The aim of this internship is to study the ultra-fast spin current propagation through an insulating antiferromagnet.
Sujet détaillé/Full description
Les courants de spin purs suscitent actuellement un intérêt considérable en raison de leur possible application dans les futurs dispositifs spintroniques. La demande croissante de traitement de données pousse les nouvelles technologies à traiter plus rapidement de plus gros volumes. Ainsi, la manipulation ultrarapide du traitement de l’information est devenue un défi des technologies de l’information de demain. Les courants de spin purs présentent plusieurs avantages clés car ils peuvent maintenant être générés, propagés et détectés à une échelle de temps inférieure à la picoseconde et à des tailles nanométriques. On peut donc envisager la possibilité de composants spintroniques ultra-rapides et l'émergence de dispositifs spintroniques térahertz.

Plusieurs "briques" sont essentielles à ces dispositifs car les courants de spin doivent être générés, propagés, traités et finalement détectés. Ce projet vise à étudier les mécanismes sous-jacents des impulsions picoseconde et sub-picoseconde de courants de spin purs dans les isolateurs antiferromagnétiques. Les systèmes à l'étude sont composés de trois couches épitaxiales de haute qualité et d'épaisseurs nanométriques, synthétisées par dépôt laser pulsé. Le premier est l'injecteur de spin, c'est-à-dire une couche ferromagnétique (La2/3Sr1/3MnO3) qui, soumise à d'intenses impulsions laser femtosecondes, génère des impulsions de courants polarisés en spin [1]. La deuxième couche est l'antiferromagnetique isolant NiO, qui est la partie centrale de la structure et à travers laquelle des courants de spin purs peuvent se propager [2].

Malgré les explications proposées par plusieurs travaux théoriques [3], la nature exacte et les caractéristiques de la propagation du moment angulaire restent floues. En particulier, il convient de comprendre la dynamique combinée des courants de spin et de la résonance térahertz antiferromagnétique. C'est l'objectif principal de ce projet de stage où le courant polarisé en spin sera généré en impulsions ultra-rapides, propagé dans une couche AF et détectée dans une troisième couche de Pt (via le mécanisme d'effet Hall de spin inverse). Ce système à trois couches offre un terrain de jeu intéressant pour aborder les questions ouvertes concernant le transport et la manipulation des courants de spin ultra-rapides dans les antiferromagnétiques isolants.

Au cours de ce stage, l'étudiant réalisera des expériences optiques ultra-rapides à l'aide d'un laser femtoseconde afin d'évaluer la dynamique sub-picoseconde des systèmes magnétiques et la propagation des impulsions de spin. En outre, il / elle apprendra également à synthétiser des échantillons épitaxiaux de haute qualité par dépôt laser pulsé. Idéalement, le stage se poursuivra par un travail de doctorat.
Pure spin-currents are currently attracting a substantial interest due to their deep implication in future spintronic devices. The booming demand on data consumption pushes new technologies to be able to process bigger volumes of data at a faster rate. Thus, ultrafast manipulation of information processing has now become a challenge of tomorrow’s information technologies. Pure spin currents present several key advantages as they can now be generated, propagated and detected on the sub-picosecond timescale and at nano-sizes. One can therefore envision the possibility of ultrafast spintronic components and the emergence of terahertz spintronic devices.

Several “bricks” are crutial to these devices as spincurrents have to be generated, propagated processed and eventually detected. This project aims at studying the underlying mechanisms of picosecond and sub-picosecond pure spincurrent bursts in antiferromagnetic insulators. The systems under study are composed of three high quality epitaxial layers of nanometric thicknesses, grown by pulsed laser deposition. The first one is the spin injector, i.e. a ferromagnetic layer (La2/3Sr1/3MnO3) which, when subjected to intense femtosecond laser pulses, generates bursts of spin-polarized currents [1]. The second layer is the insulating antiferromagnet NiO, which is the central part of the structure and through which pure spincurrents can propagate [2]. Despite the explanations proposed by several theoretical works [3], the exact nature and characteristics of the spincurrent propopagation remains under debate. Especially, one should tackle the dynamical issue of spincurrents coherently matching the specific antiferromagnetic terahertz resonance.

This is the main objective of this internship project where spin-polarized current will be launched in ultra-fast bursts. Finally, a third Pt layer is used as a detector (via the inverse spin Hall effect mechanism). This trilayer system offers an interesting playground to tackle the opened questions regarding the transport and manipulation of ultrafast spincurrents in insulating antiferromagnets.

During this internship, the student will perform ultrafast time-resolved optical experiments using a femtosecond laser in order to assess the sub-picosecond dynamics of magnetic systems and the propagation of spincurrent bursts. In addition, he/she will also learn how to grow high quality epitaxial samples by pulsed laser deposition. Ideally, the internship will continue in a PhD work.

[1] Kampfrath et al. Nat. Nano. 8 256 (2013) [2] Hahn et al. EPL 108 57005 (2014)
[3] Khymyn et al. Phys. Rev. B 93 224421 (2016)
Compétences/Skills
Dépots par ablation laser pulsée, mesures optiques ultra-rapides
Pulsed laser deposition, ultra-fast optical measurements

 

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