Service de Physique de l'Etat Condensé

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Détection de cellules cancéreuses et de bactéries à l'aide d'un laboratoire sur puce à base de capteurs GMR

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

20-03-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

JASMIN-LEBRAS Guenaelle
+33 1 69 08 65 35

Résumé/Summary

Le développement de biopuces à base de capteurs GMR est un projet de biotechnologie pour la santé pour l’innovation diagnostique et thérapeutique. Il est basé sur la combinaison d’un marquage spécifique des anticorps avec des nanoparticules magnétiques et leur détection dynamique avec des capteurs . Le véritable défi est d’obtenir un outil capable de détecter rapidement, de façon simple, sensible et spécifique, différents objets biologiques rares en réponse à un besoin d’urgence de diagnostic clinique et/ou de biosécurité

Sujet détaillé/Full description

Le projet repose sur le principe fondamental des capteurs GMR (capteurs à magnétorésistance géante) qui permettent une détection locale de très faibles champs magnétiques. En attachant des billes magnétiques à des objets biologiques (cellules, bactéries, protéines), il est possible de détecter un à un ces objets labellisés lors de leur passage au-dessus du capteur.
Au cours de son stage, en collaboration avec une doctorante, l'étudiant optimisera et testera la biopuce constituée de capteurs GMR fabriqués au LNO et d'un canal microfluidique qu'il développera en salle blanche dont la hauteur varie en fonction de la taille des objets biologiques étudiés. Le marquage des objets biologiques a lieu au LERI(Laboratoire d'Etudes et de Recherches en Immunoanalyse). Au sein de ce laboratoire avec lequel nous collaborons, ll greffera sur des billes magnétiques des anticorps spécifiques de la cible à détecter et les incubera avec l’échantillon biologique d’intérêt. L’échantillon est ensuite injecté dans le canal microfluidique. Il optimisera la détection simultanée avec plusieurs capteurs ainsi que la sensibilité et la spécificité des tests réalisées sur des cellules cancéreuses mais aussi sur des bactéries. Il apprendra à maîtriser les différents paramètres physiques et biologiques mis en jeu. L'étudiant devra également comprendre et analyser les résultats obtenus à l'aide de simulations effectuées avec des logiciels de code ou des programmes existants au laboratoire.
Techniques utilisées au cours du stage :


Mots clés : Spintronique, microfluidique, biotechnologie, électronique

Mots clés/Keywords

Magnétisme

Compétences/Skills

Techniques de salle blanche, technique de dépôt par MBE, mesures magnétiques. Préparation d'échantillons biologiques
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Dynamique de l'aimantation dans des nanostructures magnétiques
Magnetization dynamics in magnetic nanostructures

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

25-03-2019

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DE-LOUBENS Gregoire
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary

Ce stage expérimental consistera à étudier les régimes linéaires et non-linéaires de la dynamique de l'aimantation dans des nanostructures individuelles. Il s'effectuera dans le cadre d'un projet ANR dont le but est de démontrer la manipulation d'ondes de spin cohérentes et de forte amplitude dans des dispositifs combinant des concepts de la magnonique et de l'électronique de spin. Ce travail se poursuivra par une thèse financée.
The aim of this experimental internship is to study the linear and nonlinear regimes of magnetization dynamics in individual nanostructures. This will take place in the framework of an ANR project whose goal is to demonstrate the manipulation of high amplitude coherent spin waves in devices combining concepts of magnonics and spintronics. A funded PhD thesis will follow.

Sujet détaillé/Full description

Un des buts actuels de l'électronique de spin est de développer une technologie de l'information durable basée sur le transport de purs courants de spin. Pour cela, une approche prometteuse consiste à marier spintronique et magnonique afin d'exciter, contrôler et détecter des ondes de spin, ou leurs quanta nommés magnons, de fréquences et longueurs d'ondes caractéristiques du gigahertz au térahertz et du micromètre au nanomètre, respectivement [1]. Dans ce contexte, le YIG, un grenat d'yttrium fer ferrimagnétique isolant, est un matériau de choix car le temps de vie des ondes de spin y est particulièrement long. En outre, ce dernier peut être contrôlé par un courant électrique injecté dans une couche de platine adjacente grâce au couple de transfert de spin [2,3]. Ce couple d'origine spin-orbite permet également de générer des auto-oscillations de l'aimantation [4]. Il est maintenant crucial de comprendre et contrôler les propriétés non-linéaires de ces dispositifs hybrides. Celles-ci découlent directement de l'équation du mouvement de l'aimantation et sont au cœur de leur fonctionnement puisqu'elles gouvernent le type de dynamique généré par le couple spin-orbite [5,6]. Pour contrôler le spectre d'excitations et les propriétés non-linéaires, il est possible de jouer sur la nanostructuration du film magnétique [7] et sur le matériau lui-même, en particulier en contrôlant son anisotropie magnétique perpendiculaire [8]. L'objet du stage sera donc de mesurer le spectre d'ondes de spin et les propriétés non-linéaires de nanostructures de YIG dopé au Bismuth. Pour cela, on s'appuiera sur un outil unique développé au laboratoire, un microscope de force à résonance magnétique (MRFM). Cette technique de champ proche très sensible utilise une sonde magnétique placée à l'extrémité d'un levier mécanique très souple pour détecter la dynamique de l'aimantation dans des nanostructures individuelles [9].

[1] A. Chumak, et al., Magnon spintronics, Nature Phys. 11, 453-461 (2015)
[2] A. Hamadeh, et al., Full Control of the Spin-Wave Damping in a Magnetic Insulator Using Spin-Orbit Torque, Phys. Rev. Lett. 113, 197203 (2014)
[3] M. Evelt, et al., High-efficiency control of spin-wave propagation in ultra-thin yttrium iron garnet by the spin-orbit torque, Appl. Phys. Lett. 108, 172406 (2016)
[4] M. Collet, et al., Generation of coherent spin-wave modes in yttrium iron garnet microdiscs by spin-orbit torque, Nature Commun. 7, 10377 (2016)
[5] V. Demidov, et al., Direct observation of dynamic modes excited in a magnetic insulator by pure spin current, Sci. Rep. 6, 32781 (2016)
[6] M. Evelt, et al., Emission of coherent propagating magnons by insulator-based spin-orbit torque oscillator, arXiv:1807.09976
[7] C. Hahn, et al., Measurement of the intrinsic damping constant in individual nanodisks of Y3Fe5O12 and Y3Fe5O12|Pt, Appl. Phys. Lett. 104, 152410 (2014)
[8] L. Soumah, et al., Ultra-low damping insulating magnetic thin films get perpendicular, Nature Commun. 9, 3355 (2018)
[9] O. Klein, et al., Ferromagnetic resonance force spectroscopy of individual submicron-size samples, Phys. Rev. B 78, 144410 (2008)
One current goal of spintronics is the development of a sustainable information technology based on the transport of pure spin currents. For this, a promising approach is to combine spintronics and magnonics to excite, control and detect spin waves, or their quanta magnons, with characteristic frequencies and wavelengths from GHz to THz and from µm to nm, respectively. In this context, YIG, an insulating yttrium iron garnet, is a material of choice because of its particularly long spin-wave relaxation time. Moreover, the latter can be controlled by an electrical current injected in an adjacent layer of platinum thanks to spin transfer torque [2,3], This torque of spin-orbit origin also allows the generation of auto-oscillations of the magnetization [4]. It is now timely to understand and control the nonlinear properties of these hybrid devices. These nonlinear properties, directly inherited for the equation of motion of magnetization, are crucial since they govern the type of dynamics generated by spin-orbit torque [5,6]. To control the excitation spectrum and the nonlinear properties, it is possible to nanopattern the magnetic film [7] and to engineer the properties of the material itself, in particular its perpendicular magnetic anisotropy [8]. The aim of this internship will thus be to measure the spin wave spectrum and the nonlinear properties of Bismuth doped YIG nanostructures. For this, a unique home made equipment, a magnetic resonance force microscope (MRFM), will be used. This very sensitive near field microscopy technique uses a magnetic probe attached at the end of a very soft mechanical cantilever to detect magnetization dynamics in individual nanostructures [9].

[1] A. Chumak, et al., Magnon spintronics, Nature Phys. 11, 453-461 (2015)
[2] A. Hamadeh, et al., Full Control of the Spin-Wave Damping in a Magnetic Insulator Using Spin-Orbit Torque, Phys. Rev. Lett. 113, 197203 (2014)
[3] M. Evelt, et al., High-efficiency control of spin-wave propagation in ultra-thin yttrium iron garnet by the spin-orbit torque, Appl. Phys. Lett. 108, 172406 (2016)
[4] M. Collet, et al., Generation of coherent spin-wave modes in yttrium iron garnet microdiscs by spin-orbit torque, Nature Commun. 7, 10377 (2016)
[5] V. Demidov, et al., Direct observation of dynamic modes excited in a magnetic insulator by pure spin current, Sci. Rep. 6, 32781 (2016)
[6] M. Evelt, et al., Emission of coherent propagating magnons by insulator-based spin-orbit torque oscillator, arXiv:1807.09976
[7] C. Hahn, et al., Measurement of the intrinsic damping constant in individual nanodisks of Y3Fe5O12 and Y3Fe5O12|Pt, Appl. Phys. Lett. 104, 152410 (2014)
[8] L. Soumah, et al., Ultra-low damping insulating magnetic thin films get perpendicular, Nature Commun. 9, 3355 (2018)
[9] O. Klein, et al., Ferromagnetic resonance force spectroscopy of individual submicron-size samples, Phys. Rev. B 78, 144410 (2008)

Mots clés/Keywords

dynamique de l'aimantation; nanomagnétisme; spintronique; magnonique
magnetization dynamics; nanomagnetism; spintronics; magnonics

Compétences/Skills

microscopie à force magnétique ; techniques hyperfréquences
magnetic force microscopy; high frequency techniques

Logiciels

python
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Elaboration de films minces d’oxynitrures BaTi(OxN1-x)3 par epitaxy par jets moléculaire assistée de plasma atomique
Elaboration of oxinitride BaTi(OxN1-x)3 thin films by atomic plasma assisted molecular beam

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-04-2019

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 d’oxynitrures BaTi(OxN1-x)3 par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasmas azote et oxygène atomiques. On procédera par dopage de films de BaTiO3 dont les conditions de croissance sont déjà parfaitement maitrisées au laboratoire CEA/SPEC. L’étude sera complétée par des mesures de propriétés macroscopiques comme la ferroélectricité et/ou la photoélectrolyse de l’eau. Des mesures complémentaires pourront être envisagées au synchrotron-SOLEIL.
The objective of the internship is to grown thin BaTi(OxN1-x)3 oxinitride thin films by oxygen and nitrogen plasma assisted molecular beam epitaxy. We will proceed by nitrogen doping of BaTiO3 for which the growth conditions are perfectly mastered in the CEA/SPEC laboratory. The study will be completed by macroscopic characterizations of the ferroelectric and/or photoelectrolytic behaviors. Complementary measurements may be realized at synchrotron-SOLEIL.

Sujet détaillé/Full description

Les oxynitrures constituent une classe de composés présentant un large spectre de propriétés exploitables pour une grande variété d’applications allant des absorbeurs UV destinés à pérenniser des composés organiques fragiles, aux semiconducteurs adaptés aux dispositifs photovoltaïques, photocatalytiques et de photoélectrolyse en passant par des composés magnétiques. 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 ainsi que par le dopage par des porteurs de charges permettant d’envisager de nouvelles propriétés de transport. 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 d’oxydes de titanate de Baryum, BaTiO3, ferroélectriques dont nous maitrisons déjà la croissance par l’adjonction d’un plasma azote durant la croissance. Les taux de dopage resteront faibles. Idéalement, on s’attachera à quantifier le ratio entre la perte de ferroélectricité et le gain de l’activité en tant que photoanode dans la photoelectrolyse de l’eau. On pourra envisager des mesures en diffraction des rayons X pour caractériser le matériau élaboré sur la ligne DiffAbs au synchotron SOLEIL.

Contacts : BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr ; Autres chercheurs impliqués : H. Magnan, J.-B. Moussy et C. Mocuta (Synchrotron-SOLEIL)
Oxynitrides are a class of compounds with a broad spectrum of exploitable properties for a wide variety of applications ranging from UV absorbers (to sustain fragile organic compounds), to semiconductors (suitable for photovoltaic), photocatalytic and photoelectrolysis devices to magnetic compounds. 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 films of barium titanate, BaTiO3, a ferroelectric oxide. Its growth conditions are already well mastered and we will proceed by the addition of nitrogen plasma during growth. Doping rates will remain low. Ideally, the ratio between the loss of ferroelectricity and the gain of activity as a photoanode in the photoelectrolysis of water will be quantified. X-ray diffraction measurements may be used to characterize the material developed on the DiffAbs line at the SOLEIL synchotron.

Contacts: BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr ; Other researchers: H. Magnan, J.-B. Moussy et C. Mocuta (Synchrotron-SOLEIL)

Mots clés/Keywords

Oxynitrures, épitaxie par jets moléculaires, ferroélectricité, synchrotron
Oxinitrides, molecular beam epitaxy, ferroélectricité, synchrotron

Compétences/Skills

Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires. 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), et éventuellement la diffraction des rayons X sur la ligne DIFFABS.
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) and eventually X-ray diffraction on the DIFFABS beamline of synchrotron SOLEIL.
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Etude de microstructures de composites multiferroïques artificiels MFe2O4/BaTiO3 (M=Co, Ni, Mn)
Study of artificial multiferroic composites MFe2O4/BaTiO3 (M=Co, Ni, Mn)

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-04-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARBIER Antoine
+33 1 69 08 39 23

Résumé/Summary

L'objectif de ce stage est d’étudier des inclusions de ferrite (MFe2O4, M=Co ,Ni ,Mn) ferrimagnétique dans une matrice ferroélectrique de BaTiO3. Nous nous appuierons sur l'expertise acquise ces dernières années au laboratoire CEA/SPEC dans la réalisation par épitaxie par jets moléculaires de couches minces de ces composés. L’étude sera réalisée par des méthodes de pointe accessibles en rayonnement synchrotron à synchrotron-SOLEIL.
The objective of the internship is to study ferrimagnetic ferrite inclusions (MFe2O4, M=Co ,Ni ,Mn) in a ferroelectric BaTiO3 matrix. The realization of the samples will benefit from the expertise gained in recent years, in the CEA/SPEC laboratory, in growing thin films of such compounds by molecular beam epitaxy. The study will be realized by advanced methods using synchrotron radiation at synchrotron-SOLEIL.

Sujet détaillé/Full description

Le couplage magnéto-électrique entre des oxydes ferroélectriques et ferro-, ferri ou antiferro- magnétiques suscite un vif intérêt dans le domaine des applications liées à la spintronique et à la conversion d’énergie. La maitrise de ce type d’oxydes sous forme de nanostructures encapsulées est aujourd’hui particulièrement intéressante. Dans ces systèmes il y a une forte interdépendance des paramètres magnétiques, ferroélectriques et structuraux. Une étude pertinente doit donc aborder l’ensemble de ces aspects.

Le BaTiO3 est l’un des matériaux ferroélectriques de référence et appartient à la famille des oxydes de structure pérovskite. Les ferrites ont de nombreux atouts comme des températures de Curie élevées et une excellente stabilité chimique. L’inclusion de microstructures de ferrites dans un film de BaTiO3 est un système très bien adapté à la compréhension des mécanismes sous-tendant les propriétés multiferroïques.
La croissance en films minces de ces matériaux est déjà maitrisée au laboratoire CEA/SPEC. Les dépôts sont réalisés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique. Dans le cadre du stage proposé une initiation aux techniques de dépôts ultra-vide autour de ces matériaux sera considérée. Les échantillons de ferrite encapsulés seront étudiés ensuite sur les lignes de lumière DIFFFABS, DEIMOS et HERMES du synchrotron SOLEIL pour déterminer les propriétés cristallines, la cartographie chimique ainsi que l’ordre magnétique et ferroélectrique.
Les couches élaborées durant ce stage s’inscrivent dans le cadre de recherches à long terme. Ce sujet pourra être prolongé par une thèse. Le stage, tout comme le sujet de thèse pourront donner lieu à un co-encadrement. L’étudiant(e) sera administrativement rattaché au synchrotron-SOLEIL et sera associé au laboratoire CEA/SPEC.

Contacts : MOCUTA Cristian, +33 1 69 35 81 20, mocuta@synchrotron-soleil.fr; OHRESSER Philippe, +33 1 69 35 96 82, philippe.ohresser@synchrotron-soleil.fr; BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr
The magneto-electric coupling between ferroelectric and ferro, ferri or antiferro-magnetic oxides is nowadays of high interest in the field of spintronics and energy conversion. Mastering this type of oxide nanostructures in the form of embedded microstructures is particularly relevant today. In such systems there is a strong interdependence between the magnetic, ferroelectric and structural parameters. A relevant study must address all of these aspects.
The BaTiO3 is an archetypical ferroelectric material that belongs to the family of ferroelectric oxides with a perovskite structure. Ferrites have many advantages like high Curie temperature and high chemical stability. The inclusion of ferrites microstructures in a BaTiO3 film is a very suitable system for understanding the mechanisms underlying the multiferroic properties.
The growth of thin films of these materials is already mastered in the CEA/SPEC laboratory. The deposits are realized by molecular beam epitaxy assisted by atomic oxygen plasma. Within the internship ultra-high vacuum growth techniques will also be used. The encapsulated ferrite samples will be studied on beamlines DIFFABS, DEIMOS and HERMES at synchrotron SOLEIL to access to the crystalline properties, chemical mapping as well as the magnetic and ferroelectric orders.
The developed of such layers during this internship is part of a long-term research program. This topic may be extended by a thesis work. The intership as well as the PhD may lead to a co-management between the CEA / SPEC laboratory and synchrotron SOLEIL beamlines. The intern will administratively depend on synchrotron SOLEIL and associated with the CEA/SPEC laboratory.

Contacts : MOCUTA Cristian, +33 1 69 35 81 20, mocuta@synchrotron-soleil.fr; OHRESSER Philippe, +33 1 69 35 96 82, philippe.ohresser@synchrotron-soleil.fr; BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr

Mots clés/Keywords

Oxydes, multiferroïque, épitaxie par jets moléculaires, synchrotron
Oxides, multiferroic, molecular beam epitaxy, synchrotron

Compétences/Skills

Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires ainsi qu’une première approche d’études menées sur grands instruments. 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), la diffraction des rayons X sur la ligne DIFFABS et éventuellement la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) et la spectro-microscopie X-PEEM au synchrotron SOLEIL sur les lignes DEIMOS et HERMES.
The candidate will address the UHV techniques associated with the growth by molecular beam epitaxy and a first approach of studies conducted on large instruments. 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), X-ray diffraction on the DIFFABS beamline and eventually X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-PEEM spectro-microscopy on the DEIMOS and HERMES beamlines of synchrotron SOLEIL.
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Etude de propriétés magnétiques des matériaux à l’aide de microscope magnétique et par simulations

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOLIGNAC Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary

Le but du stage est de combiner des mesures d'images magnétiques réalisées avec un microscope innovant et des simulations afin de développer un outil d'analyse des propriétés magnétiques de matériaux comme les aciers.

Sujet détaillé/Full description

Le Département d'Imagerie et Simulation pour le Contrôle (DISC) du CEA/List développe des méthodes de contrôle non destructif (CND) qui consistent à détecter des défauts dans les matériaux pour des secteurs industriels tels que l'aéronautique, la sidérurgie, le pétrole, le nucléaire. Les activités du laboratoire d'Instrumentation et Capteurs portent sur l’étude de propriétés magnétiques de matériaux ferromagnétiques par contrôle non destructif.
Le laboratoire de nanomagnétisme et oxyde (LNO) du SPEC possède des compétences, outils et expertises sur la caractérisation et le développement de capteurs magnétiques magnétorésistifs ultrasensibles pour diverses applications, allant de la biologie aux applications grande distribution comme l’automobile en passant par la caractérisation de matériaux magnétiques.
Le stage proposé s'inscrit dans une collaboration entre ces deux laboratoires et qui vise à l’analyse de propriétés magnétiques de matériaux comme les aciers. Dans ce cadre, un microscope innovant ultrasensible et quantitatif est en cours de développement. Ce microscope est basé sur la combinaison d’un capteur magnéto-résistif et d’un microscope sonde locale à balayage de type AFM (Atomic Force Microscope).
La première partie de stage consistera dans les mesures des champs magnétiques de fuite émis par la surface de matériaux ferromagnétiques à l’aide du nouveau microscope pour avoir les données d’entrées pour le modèle théorique développé au DISC.
La deuxième partie sera dédiée à l’évaluation par simulations des distributions du champ magnétique dans les matériaux ferromagnétiques pour comprendre les résultats expérimentaux.

Mots clés/Keywords

Physique du solide, Physique des matériaux

Compétences/Skills

Matériaux ferromagnétiques Microscope à sonde locale Capteurs magnétiques

Logiciels

Matlab
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Excitations terahertz antiferromagnétiques induites par courant de spin
Terahertz antiferromagnetic excitations driven by spin-current

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHAULEAU Jean-Yves
+33 1 69 08 01 42

Résumé/Summary

Ce stage propose d’étudier les propriétés de dynamique ultrarapide d'isolants antiferromagnétiques soumis à différents types de stimulations (courant de spin, impulsion terahertz…). Le travail sera centré sur l’utilisation d’un code de simulation de dynamique de spin atomique.
This internship deals with an assesment of the ultrafast properties of insulating antiferromagnets when subjected to different kind of stimuli (spin current, terahertz pulses…). The work will be focused on the use of a simulation code of atomic spin dynamics.

Sujet détaillé/Full description

Parmi les états ordonnés de la matière, le magnétisme est robuste et présent jusqu’à des températures largement supérieures à l’ambiante pour une large gamme de matériaux. Les ferromagnétiques sont par conséquent largement utilisés dans les technologies de l’information. D’un autre côté, les anti-ferromagnétiques (AF), qui composent la grande majorité des matériaux magnétiques, ne sont pas (encore) utilisés comme éléments actifs. Dans ces composés, les moments magnétiques atomiques pointent dans des directions opposées entre voisins. L’aimantation résultante nulle rend cet ordre insensible à un champ magnétique et difficile à sonder. Par conséquent, les propriétés intrinsèques de la formation des domaines AF et la mobilité des parois de domaines sont peu connues.
Durant ces dernières années, il a été démontré que les AF métalliques peuvent présenter des propriétés de magnéto-résistance (résultant du couplage spin-orbite) ouvrant ainsi des perspectives d’utilisation dans des dispositifs de la spintronique. D’un autre côté, les isolants AF sont largement plus répandus que leurs cousins conducteurs car les interactions de super-échange dans les isolants sont assez généralement AF. Un contrôle direct de l’ordre AF requiert des champs magnétiques très intenses, généralement non disponibles en laboratoire. Les récentes avancées dans le domaine des effets de transfert de spin produits par des courants de spin, permettent en principe de générer des couples magnétiques changeant alternativement de signe sur chaque moment atomique orienté de manière opposée, idéaux pour contrôler l’ordre AF. Cet effet, qui offre donc une possibilité intéressante de contrôler l’ordre AF, n’a pas encore été démontré dans ces composés.
Le sujet proposé ici a donc pour but d’étudier la dynamique terahertz de l’ordre antiferromagnétique lorsqu’il est soumis à diverses excitations, en particulier des impulsions picoseconde de courant de spin. Le travail de ce stage sera l’utilisation d’un code de dynamique de spin atomique afin de comprendre et maitriser les mécanismes sous-jacents des excitations antiferromagnétiques induite par courant de spin. Ce stage sera idéalement poursuivi par une thèse.
Among the ordered electronic states that occur in solid-state materials, magnetism is uniquely robust, persisting to well above room temperature in a wide variety of materials. Ferromagnets are now routinely used in the field of information technology. On the other hand, antiferromagnets (AF), which compose the overwhelming majority of magnetically ordered materials, have not been considered as candidates for active elements. In these materials, the magnetic moments of atoms align in a regular pattern with neighbouring spins pointing in opposite directions. Because of their zero net moment, antiferromagnets are rather insensitive to a magnetic field and difficult to probe. Thus, their intrinsic properties, and especially AF domains formation and the mobility of their domain walls, are poorly known.
In the last few years, it has been demonstrated that metallic antiferromagnets can lead to giant-magnetoresistance effects (resulting from spin-orbit-coupling), which validates their use as “spintronic elements”. On the other hand, insulating antiferromagnets are much more common than their conducting counterparts because super-exchange interactions in insulators are mainly antiferromagnetic. Direct control of AF properties requires unpractically large magnetic fields, not commonly available in a laboratory. The recent development of the spin transfer torque effect produced by spin polarized currents provides an ideal way of generating (the equivalent of) a staggered field, ideal to control the AF order. This should allow to toggle AF domains and influence the AF dynamical properties, but this has not yet been demonstrated.
The internship proposed here aims at studying the terahertz dynamics of the antiferromagnetic order when subjected to various stimuli, in particular picosecond spincurrent pulses. The work will be focus on the use of an atomic spin dynamics code in order to understand and master the underlying mechanisms of spincurrent-induced antiferromagnetic excitations. Ideally the internship should lead to a continuation as a PhD student.

Mots clés/Keywords

dynamique antiferromagnétique, terahertz, courant de spin
antiferromagnetic dynamics, terahertz, spin current
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Magnétorésistance Géante tout oxyde
All oxide magnetoresistance

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-06-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Solignac Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary

Le but du stage est donc de développer un élément à magnétoresistance géante tout oxyde composé d’électrodes en LSMO et qui présenterait des performances à l’état de l’art en termes de sensibilité et de bruit pour des applications de capteurs magnétiques ultra-sensibles comme la magnétoencéphalographie (mesure directe du signal magnétique émis par le cerveau).
The internship aims at developing a giant magnetoresistive element composed by LSMO which will show state of the art properties in terms of noise and sensitivity. The possible application is ultra high sensitive sensors as magnetoencephalography (direct measurement of the magnetic signal emitted by brain).

Sujet détaillé/Full description

La manganite (La,Sr)MnO3 (LSMO), appartenant à la famille des oxydes de structure pérovskite, présente une très forte polarisation en spin et a un comportement demi métallique, tout en étant ferromagnétique et métallique à température ambiante. Ce matériau semble donc être un bon candidat comme électrode dans des jonctions tunnels magnétiques afin de développer des capteurs magnétiques ultra-sensibles, basés sur la magnétorésistance tunnel (TMR) et fonctionnant à basse température. En effet, des valeurs de TMR de 2000% ont été obtenues pour des jonctions LSMO/SrTiO3 (STO)/LSMO[1]. Cependant ces ratios n’ont pas été reproduits et des valeurs maximales autour de 500% sont usuellement observées. Une des explications avancées est que la forte polarisation du LSMO serait dégradée à l’interface avec la barrière alors que cette interface contrôle les propriétés du transport tunnel. De plus, le niveau de bruit obtenu dans ce type de jonction tunnel tout oxyde est important et lié au transport tunnel à travers la barrière de STO.

Une voie non explorée et qui permettrait de s’affranchir des problèmes avec la TMR serait de développer un élément à magnétorésistance géante (GMR). La barrière isolante est alors remplacée par une barrière métallique, qui allierait un bruit réduit et une magnétorésistance élevée car non limitée par l’interface. L’enjeu est alors de trouver un oxyde métallique qui possède une longueur de diffusion de spin importante, et pour lequel des effets d’interface n’apparaissent pas, afin d'éviter une perte de polarisation de spin dans le LSMO. Le cuprate La4BaCu5O13 (LBCO) est dans cette optique un candidat très intéressant, mais sa croissance par ablation laser reste à optimiser au laboratoire.
Le but du stage est de mettre au point des dispositifs GMR basés sur l'empilement tout-oxyde LSMO/LBCO/LSMO. Tout d'abord il s'agira de maîtriser la croissance de LBCO sur LSMO par ablation laser (pulsed laser deposition, PLD), en étudiant l’impact des paramètres de dépôt sur la structure cristalline et la morphologie du film, analysées par diffraction des rayons X et microscopie à force atomique (AFM). Ensuite, des empilements complets LSMO/LBCO/LSMO seront déposés et des dispositifs GMR micro-fabriqués afin d'en caractériser la magnétorésistance et le niveau de bruit, via des mesures de transport en fonction de la température.

Mots clés/Keywords

Electronique de spin, capteurs magnétorésistifs, films minces oxydes perovskites

Compétences/Skills

Dépôts par ablation laser Microfabrication Mesures de transport et de bruit.
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Optimisation des photoanodes nanostructurés d'hématite par dopage Ti pour la production d'hydrogène par photoelectrolyse de l'eau
Nanostructured hematite photoanodes optimisation by Ti doping for hydrogen production by solar water splitting

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

STANESCU Dana
+33 1 69 08 75 48

Résumé/Summary

Caractérisation de l'efficacité de production d'hydrogène pour différents niveaux de dopage Ti de photoanodes d'hématite obtenues par croissance chimique en phase aqueuse. Corrélation avec les propriétés chimiques / structurelles / électroniques locales des matériaux.
Correlative study between the macroscopic hydrogen production efficiency for different Ti doping levels of hematite photoanodes obtained by aqueous chemical growth and the local chemical/structural/electronic properties of the photoanodes.

Sujet détaillé/Full description

Stage M2 (Synchrotron SOLEIL / SPEC)
Responsable SOLEIL: Stefan Stanescu (stefan.stanescu@synchrotron-soleil.fr)
Responsable CEA: Dana Stanescu (dana.stanescu@cea.fr)

Les sources d'énergie renouvelables, ne représentent aujourd'hui que 20% de la consommation énergétique mondiale. Celles permettant de réduire les émissions de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, peuvent apporter une réponse fiable à la demande d'énergie. Ainsi l'hydrogène semble être un vecteur énergétique efficace et durable puisque son énergie spécifique est d'environ 120 MJ / Kg, plus élevée que celle des hydrocarbures (46 MJ / Kg) ou des batteries lithium-air (8 MJ / Kg). Mais de nos jours, plus de 95% de la production totale d'hydrogène (environ 50 millions de tonnes par an) dépend de l'industrie des combustibles fossiles, principalement le reformage du méthane à la vapeur, avec par conséquent un très fort impact carbone. L'hydrogène peut également être produit par électrolyse de l'eau. Un apport d'énergie important est toutefois nécessaire pour produire une différence de potentiel pour initier la réaction d'oxydoréduction (1,23 V). Une nouvelle idée, inspirée par la photosynthèse, est la photoélectrolyse de l'eau, où la lumière solaire est utilisée pour réduire le biais de tension nécessaire pour séparer l'hydrogène de la molécule d'eau [1]. En général une cellule photoélectrochimique est constituée d’une photoanode semi-conductrice de type n associée à une cathode métallique classique. Le paramètre macroscopique qui confirme que la production d'hydrogène est le photocourant généré
Nous étudions actuellement des photoanodes d'hématite pures obtenues par une méthode simple et versatile, à savoir l'ACG : Aqueous Chemical Growth [2]. Plusieurs paramètres de croissance comme le pH de la solution, la température, et le temps de croissance, permettent d'ajuster les propriétés de ces photoanodes. Une étude précédente sur des films épitaxiaux modèles, nous a permis de démontrer une augmentation 10 fois de l'efficacité photoélectrochimique lors du dopage titane (Ti) de l'hématite [3]. Nous proposons ici de caractériser l'efficacité de production d'hydrogène pour différents niveaux de dopage Ti des photoanodes d'hématite obtenues par ACG, en corrélation avec les propriétés chimiques / structurelles / électroniques micro- and macroscopiques des matériaux.
Le stagiaire aura plusieurs missions : a) élaboration d'un protocole assurant une élaboration reproductible des échantillons dopés Ti avec un contrôle précis du niveau de dopage; b) la caractérisation de l'efficacité de production d'hydrogène par des mesures de photocourant; c) la caractérisation des propriétés chimiques / structurelles / électroniques à l'aide d'outils de microscopie de pointe; d) mise en évidence et modélisation des corrélations entre la conduction macroscopique et les propriétés physico-chimiques à l’échelle micro- et nano- scopique. Des techniques d’analyse spécifiques de laboratoire (mesures de photocourant, MEB - microscopie électronique à balayage, XRD - Diffraction des rayons X, XPS - Spectroscopie de photoémission par rayons X) et synchrotron (STXM - microscopie de rayons X à balayage en transmission, XPEEM - microscopie électronique à photoémission, XAS – spectroscopie d’absorption de rayons X) seront utilisées pour réaliser cette étude.
Le stage se déroulera sur la ligne HERMES [4] du Synchrotron SOLEIL, dédiée à la microscopie à rayons X (STXM et XPEEM). Les dépôts de photoanodes et les mesures de photocourant seront réalisés au laboratoire SPEC du CEA-Saclay.

[1] A. Fujishima and K. Honda, Nature, 1972, 238, 37 (1972), 10.1038/238037a0
[2] L. Vayssieres, Int. J. Nanotechnol. 2004, 1, 10.1504/IJNT.2004.003728, L. Vayssieres, Appl. Phys. A 89, 1–8 (2007), 10.1007/s00339-007-4039-0,
[3] M. Rioult, H. Magnan, D. Stanescu, A. Barbier, J.Phys.Chem.C, 2014, 118 (6), pp 3007–3014, 10.1021/jp500290j
[4] R. Belkhou, S. Stanescu, S. Swaraj, A. Besson, M. Ledoux, M. Hajlaoui, D. Dalle, J. Synchrotron Radiat., 2015, 22 (4): 968-979, 10.1107/S1600577515007778
M2 internship (Synchrotron SOLEIL / SPEC)
Responsible SOLEIL: Stefan Stanescu (stefan.stanescu@synchrotron-soleil.fr)
Responsible CEA: Dana Stanescu (dana.stanescu@cea.fr)

Renewable energy sources, only 20% of the present mankind’s global energy consumption, will constitute a reliable answer to the energy demand if they reduce carbon dioxide emissions into the atmosphere. Hydrogen appears to be an efficient and sustainable energy carrier since its specific energy is around 120 MJ/Kg, higher than in hydrocarbons (46 MJ/Kg) or lithium air batteries (8 MJ/Kg). Nowadays, more than 95% of total hydrogen production (ca. 50 millions of tonnes per year) depends on the fossil fuels industry, mainly steam methane reforming. Therefore, the carbon impact is huge. Hydrogen can also be produced by water electrolysis. A significant energy input is however necessary to produce the voltage bias necessary to initiate redox reaction (1.23 V). A novel idea, inspired by photosynthesis, is water photoelectrolysis, where sunlight is used to reduce the voltage bias necessary to split hydrogen from water molecule [1]. In most cases, a photo electrochemical cell consists of an n-type semiconductor photoanode associated with a conventional metal cathode, the macroscopic parameter that confirms hydrogen production being the generated photocurrent.
We are currently studying pure and doped hematite photoanodes obtained using a simple and versatile method, namely the ACG: Aqueous Chemical Growth [2]. Several growth parameters like the solution pH, temperature, time allow tuning the properties of these photoanodes. In a previous study on model epitaxial films, it was demonstrated a 10 times increase in the photo-electrochemical efficiency upon hematite doping with Ti [3]. We propose here to characterize and correlate the macroscopic hydrogen production efficiency for different Ti doping levels of hematite photoanodes obtained by ACG with the local chemical/structural/electronic properties of the materials.
The intern will have several missions: a) elaboration of a protocol insuring reproducible elaboration of Ti-doped samples with precise control of the doping level; b) characterization of the hydrogen production efficiency by photocurrent measurements; c) characterization of chemical/structural/electronic properties using state of the art microscopy tools; d) evidence and model correlations between macroscopic conduction to local properties. Combined laboratory (photocurrent, SEM - Scanning Electron Microscopy, XRD - X-ray Diffraction, XPS - X-ray Photoemission Spectroscopy) and synchrotron (STXM - Scanning Transmission X-ray Microscopy, XPEEM - X-ray PhotoEmission Electron Microscopy, XAS - X-ray Absorption Spectroscopy) techniques will be used to realize this study.
The internship will take place on HERMES beamline [4] from Synchrotron SOLEIL, dedicated to X-ray microscopy (STXM and XPEEM). Photoanodes deposition and photocurrent measurements will be realized at SPEC laboratory from CEA-Saclay.

[1] A. Fujishima and K. Honda, Nature, 1972, 238, 37 (1972), 10.1038/238037a0
[2] L. Vayssieres, Int. J. Nanotechnol. 2004, 1, 10.1504/IJNT.2004.003728, L. Vayssieres, Appl. Phys. A 89, 1–8 (2007), 10.1007/s00339-007-4039-0,
[3] M. Rioult, H. Magnan, D. Stanescu, A. Barbier, J.Phys.Chem.C, 2014, 118 (6), pp 3007–3014, 10.1021/jp500290j
[4] R. Belkhou, S. Stanescu, S. Swaraj, A. Besson, M. Ledoux, M. Hajlaoui, D. Dalle, J. Synchrotron Radiat., 2015, 22 (4): 968-979, 10.1107/S1600577515007778

Mots clés/Keywords

Photoelectrolyse de l'eau; techniques synchrotron ; microscopie de rayons X
solar water splitting, X-ray synchrotron techniques, X-ray microscopy

Compétences/Skills

techniques synchrotron: - STXM - Scanning Transmission X-ray Microscopy - XAS - X-ray Absorption Spectroscopy techniques de laboratoire: SEM - Scanning Electron Microscopy, XRD - X-ray Diffraction XPS - X-ray Photoemission Spectroscopy ACG - Aqueous Chemical Growth mesures de photocourant
synchrotron techniques: - STXM - Scanning Transmission X-ray Microscopy - XAS - X-ray Absorption Spectroscopy laboratory techniques: SEM - Scanning Electron Microscopy, XRD - X-ray Diffraction XPS - X-ray Photoemission Spectroscopy ACG - Aqueous Chemical Growth photocurrent measurements

Logiciels

python, logiciel traitement images STXM
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Photo-électrolyse de l’eau assistée par une couche pérovkite ferroélectrique
Water photolectrolysis assisted by a perovskite ferroelectric layer

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-05-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MAGNAN Helene
+33 1 69 08 94 04

Résumé/Summary

Des photo-anodes dédiées à la photo-électrolyse de l’eau seront réalisées et caractérisées. Il s’agira d’hétérojonctions d’oxydes élaborées par épitaxie par jets moléculaires dont une couche sera ferroélectrique et polarisée électriquement. Les effets de la polarisation électrique sur les propriétés de photo-électrolyse seront étudiés.
Thin epitaxial films dedicated to water photolectrolysis will be prepared by atomic oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy and characterized. We will study oxide heterojunction containing a polarized ferroelectric layer. We will study the influence of electrical polarization on the photoanode efficiency.

Sujet détaillé/Full description

La photo-électrolyse de l’eau permet la production directe d’hydrogène en utilisant l’énergie solaire. L’hydrogène, en tant que vecteur d’énergie propre et décarbonné, est une piste crédible pour résoudre la paradoxale nécessité d’une augmentation de la production énergétique et de la réduction des gaz à effets de serre. Les photo-anodes les plus performantes sont obtenues avec des oxydes métalliques. Toutefois, à ce jour, aucun oxyde semi-conducteur simple ne réunit toutes les propriétés de photo-anode nécessaires pour permettre une production raisonnable d’hydrogène par ce procédé. Les anodes permettant une bonne absorption du spectre lumineux souffrent d’un taux de recombinaison rédhibitoire. Il faut considérer des architectures de matériaux plus complexes afin d’améliorer les propriétés des électrodes simples. Dans cette étude, nous souhaitons combiner une couche d’oxyde efficace en tant que photo-anode avec une couche d’oxyde pérovskite ferroélectrique, fournissant une polarisation électrique interne permettant d’améliorer les propriétés de transport.
Dans le cadre du stage proposé, on s’attachera, dans un premier temps, à déterminer les conditions de croissance d’hétérojonctions monocristallines de type Fe2O3 / BaTiO3 . Les dépôts seront réalisés sur des substrats adaptés et conducteurs (Pt(001) et Pt(111)), et seront déposés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique, une technique parfaitement maitrisée au laboratoire. La structure cristalline sera déterminée in situ et en temps réel grâce à la diffraction d’électrons rapides (RHEED). La stœchiométrie des films sera déterminée par spectroscopie d’électrons Auger et par photoémission (XPS). Les propriétés de photo-électrolyse (photo-courant, rendement) seront mesurées en lumière blanche et en lumière monochromatique. L’efficacité de la photo-anode sera analysée en fonction de la nature de l’heterojonction et de l’orientation cristalline. Nous étudierons également les effets de la polarisation électrique (amplitude, orientation) de la couche ferrolectrique sur les propriétés de photo-électrolyse.
Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires (dépôt de couches minces, caractérisations in situ) ainsi que la caractérisation électrochimique de photo-anodes. Le caractère multi-disciplinaire du sujet sera très enrichissant pour le (la) candidat(e). Les couches élaborées durant ce stage s’inscrivent dans le cadre de recherches à long terme dans le groupe et d’un projet ANR (photo-pot) qui vient d’être accepté. Ce sujet pourra être prolongé par une thèse.
Thin epitaxial films dedicated to water photolectrolysis will be prepared by atomic oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy and characterized. We will study oxide heterojunction containing a polarized ferroelectric layer. We will study the influence of electrical polarization (intensity and orientation) on the photoanode efficiency.
Solar energy has the potential to satisfy the increasing global energy demand. Semiconductors hold great promise for high-efficiency solar water splitting (water photo electrolysis). Indeed, they may be used for solar energy harvesting and/or chemical energy storage. Since the first demonstration using TiO2 as a photoanode, a large number of metal oxides were studied for this application. However, all these simple oxides present some limiting factors (such as electron - hole recombination and position of the conduction band edge below the H+/H2 redox potential) which can explain a relatively low efficiency. Recently, we have shown in our group that the efficiency of solar water splitting can be strongly improved by using a ferroelectric layer (BaTiO3) as photoanode [1].
In the present internship, we propose to prepare and study oxide heterojunctions (Fe2O3 / BaTiO3 ) grown by Atomic Oxygen plasma assisted Molecular Beam Epitaxy. The introduction of the perovskite ferroelectric layer is expected to improve the photoanode efficiency of Fe2O3 thanks to a better charge transport. For all samples, we will determine the crystallographic structure by in situ RHEED and the electronic structure by in situ XPS. The photoanode efficiency as a function of the nature of heterojunction and of its crystallographic orientation. Moreover the influence of ferroelectric polarization vector (direction and strength) will be also measured.

[1] M. Rioult, S. Datta, D. Stanescu, S. Stanescu, R. Belkhou, F. Maccherozzi, H. Magnan, A. Barbier, Appl. Phys. Lett 107, 103901 (2015)

Mots clés/Keywords

Couches minces, épitaxie, caractérisation, photo-anode, photo-électrolyse, cellule solaire
epitaxy, thin films, photoelectrolysis, solar fuel cell

Compétences/Skills

MBE, spectroscopies, photolectrolyse
MBE, Spectroscopy, photoelectrolysis
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Spintronique ultra-rapide avec des isolants antiferromagnétiques
Ultra-fast Spintronics with antiferromagnetic insulators

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

26-03-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VIRET Michel
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary

Ce stage propose de sonder les propriétés d'isolants antiferromagnétiques pour une utilisation comme composants spintroniques ultra-rapides. Des impulsions THz de courant de spin générées par un laser femtoseconde seront utilisées comme excitation de l'ordre antiferromagnétique.
This 'stage' deals with an assesment of the properties of insulating antiferromagnets as ultra-fast spintronic components. THz spin current pulses will be launched using a femtosecond laser in order to excite the antiferromagnetic order.

Sujet détaillé/Full description

Parmi les états ordonnés de la matière, le magnétisme est robuste et présent jusqu’à des températures largement supérieures à l’ambiante pour une large gamme de matériaux. Les ferromagnétiques sont par conséquent largement utilisés dans les technologies de l’information. D’un autre côté, les anti-ferromagnétiques (AF), qui composent la grande majorité des matériaux magnétiques, ne sont pas (encore) utilisés comme éléments actifs. Dans ces composés, les moments magnétiques atomiques pointent dans des directions opposées entre voisins. L’aimantation résultante nulle rend cet ordre insensible à un champ magnétique et difficile à sonder. Par conséquent, les propriétés intrinsèques de la formation des domaines AF et la mobilité des parois de domaines sont peu connues.
Durant ces dernières années, il a été démontré que les AF métalliques peuvent présenter des propriétés de magnéto-résistance (résultant du couplage spin-orbite) ouvrant ainsi des perspectives d’utilisation dans des dispositifs de la spintronique. D’un autre côté, les isolants AF sont largement plus répandus que leurs cousins conducteurs car les interactions de super-échange dans les isolants sont assez généralement AF. Un contrôle direct de l’ordre AF requiert des champs magnétiques très intenses, généralement non disponibles en laboratoire. Les récentes avancées dans le domaine des effets de transfert de spin produits par des courants de spin, permettent en principe de générer des couples magnétiques changeant alternativement de signe sur chaque moment atomique orienté de manière opposée, idéaux pour contrôler l’ordre AF. Cet effet, qui offre donc une possibilité intéressante de contrôler l’ordre AF, n’a pas encore été démontré dans ces composés.
Le sujet de stage proposé ici a donc pour but de valider ce mécanisme dans des oxydes AF réalisés en couches minces. La manipulation de l'ordre antiferromagnétique sera réalisée à l'aide de courants de spin générés par un nouveau mécanisme basé sur la désaimantation ultra-rapide d'une couche ferromagnétique déposée sur l'AF. La mesure sera effectuée en imagerie par seconde harmonique. Excitation et mesure sont toutes deux basées sur l'utilisation d'un laser femtoseconde. Ce stage sera idéalement poursuivi par une thèse.
Among the ordered electronic states that occur in solid-state materials, magnetism is uniquely robust, persisting to well above room temperature in a wide variety of materials. Ferromagnets are now routinely used in the field of information technology. On the other hand, antiferromagnets (AF), which compose the overwhelming majority of magnetically ordered materials, have not been considered as candidates for active elements. In these materials, the magnetic moments of atoms align in a regular pattern with neighbouring spins pointing in opposite directions. Because of their zero net moment, antiferromagnets are rather insensitive to a magnetic field and difficult to probe. Thus, their intrinsic properties, and especially AF domains formation and the mobility of their domain walls, are poorly known.
In the last few years, it has been demonstrated that metallic antiferromagnets can lead to giant-magnetoresistance effects (resulting from spin-orbit-coupling), which validates their use as “spintronic elements”. On the other hand, insulating antiferromagnets are much more common than their conducting counterparts because super-exchange interactions in insulators are mainly antiferromagnetic. Direct control of AF properties requires unpractically large magnetic fields, not commonly available in a laboratory. The recent development of the spin transfer torque effect produced by spin polarized currents provides an ideal way of generating (the equivalent of) a staggered field, ideal to control the AF order. This should allow to toggle AF domains and influence the AF dynamical properties, but this has not yet been demonstrated.
The ‘stage’ proposed here aims at assessing the potential of AF insulators in spintronics. These materials will be manipulated using pure spin currents generated through a newly discovered effect based on the ultra-fast demagnetization of an adjacent ferromagnetic layer. Both excitation and measurement will be carried out using a femtosecond laser. Ideally the stage should lead to a continuation as a PhD student.

Mots clés/Keywords

spintronique, ultra-rapide
spintronics, ultra-fast

Compétences/Skills

laser femtoseconde, dépots de couches par évaporation et ablation laser.
femtosecond laser, thin film depositions by evaporation and Pulsed Laser Deposition.

Logiciels

python

 

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