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Thèses et Mémoire de l'Université de Strasbourg

Étude du mouvement du spin d’électrons dans des systèmes ferromagnétiques mesuré en géométrie de réflexion par spectroscopie électronique résolue en spin

JOLY, Loïc (2006) Étude du mouvement du spin d’électrons dans des systèmes ferromagnétiques mesuré en géométrie de réflexion par spectroscopie électronique résolue en spin. Thèses de doctorat, Université Louis Pasteur.

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Résumé

Cette thèse a été effectuée dans le cadre d’une thématique largement étudiée : le transfert du moment cinétique entre les électrons injectés polarisés en spin et les électrons établissant l’aimantation d’une couche mince magnétique. Il a été montré théoriquement et expérimentalement qu’il était possible d’exciter une aimantation par le biais d’un fort courant d’électrons polarisés en spin allant même jusqu’à obtenir un retournement complet de l’aimantation dans des objets de taille nanométrique. Cet effet promet le développement de nouveaux dispositifs magnétiques dans lesquels l’aimantation serait excitée par des électrons polarisés en spin au lieu d’un champ magnétique. La conservation du moment cinétique total implique que le couple exercé sur l’aimantation par les électrons est exactement opposé au couple exercé sur les électrons polarisés par l’aimantation. L’étude de l’effet du transfert de moment cinétique ne se fait donc pas nécessairement par l’utilisation d’un fort courant d’électrons polarisés qui va exciter l’aimantation. L’étude de l’effet d’une aimantation sur un faible courant d’électrons polarisés sera tout aussi représentatif. De nombreuses expériences ont été effectuées en injectant des électrons polarisés dans un film mince en géométrie de transmission avec une polarisation parallèle ou antiparallèle à l’aimantation, mettant en évidence un fort effet de filtrage de spin. Mais dans cette géométrie colinéaire, aucun couple n’est exercé sur le vecteur polarisation des électrons. De nouvelles expériences de transmission dans une géométrie où la polarisation des électrons incidents est perpendiculaire à l’aimantation, ont mis en évidence un mouvement du vecteur polarisation, qui peut se décomposer en deux sous-mouvements. Un premier mouvement dû à une absorption dépendante du spin dans la couche ferromagnétique est une rotation du vecteur polarisation vers l’aimantation. Le second mouvement est une précession de type Larmor autour de l’aimantation. Son origine provient de la création d’un déphasage dépendant du spin entre les électrons réfléchis et les électrons incidents lors de l’interaction avec la couche ferromagnétique. Aucune de ces études fournie cependant d’information sur les électrons réfléchis. Afin d’obtenir une image plus complète du processus de transfert du moment cinétique dans des couches minces ferromagnétiques, une étude en géométrie de réflexion est maintenant nécessaire. C’est l’objet de ce présent travail. La première partie de ce travail a consisté à étudier trois systèmes de couches minces ferromagnétiques. Des couches polycristallines de Fe, de Co ou de Ni ont été déposées insitu et à température ambiante sur une couche tampon d’Au polycristallin sur un substrat de verre. Le résultat principal découlant de ces expériences montre que le mouvement de la polarisation des électrons est fortement lié à la structure de bandes électronique du ferromagnétique. La modélisation de la couche ferromagnétique par un modèle d’une marche de potentiel dépendante du spin peut expliquer le comportement pour des énergies élevées. La forte variation du mouvement du spin aux faibles énergies, cependant, s’explique par la présence d’une bande interdite dépendante du spin dans la structure électronique du ferromagnétique. Des calculs ab initio corroborent cette interprétation. Cette partie aboutit à une conclusion importante : pour avoir un angle de précession maximal et donc un transfert du moment cinétique maximal en géométrie de réflection , il faut choisir un matériau qui possède un rapport de l’énergie d’échange sur la largeur de la bande interdite aussi grand que possible. La seconde partie de ce travail a porté sur l’étude du mouvement de spin dans des puits quantiques formés par un film ferromagnétique de Co(001) recouvert d’un film non magnétique de Cu. L’apparition d’états quantiques dans de tels puits est à l’origine de phénomènes oscillatoires dans les films minces. De plus, la présence d’interfaces magnétiques ajoute une dépendance de spin au confinement quantique, qui intervient par exemple dans le cas de systèmes tels que Co/Cu/Co(001), où l’on observe une oscillation du couplage d’échange entre les deux couches ferromagnétiques séparées par la couche métallique non magnétique. Ce phénomène est aussi responsable des oscillations observées lors de mesures magnéto-optiques, de moments magnétiques induits, ou d’anisotropie magnétique. Cependant, aucune étude n’avait encore été menée sur le mouvement du spin dans de tels systèmes. Dans un premier temps, des mesures en fonction de l’énergie des électrons ont révélées des oscillations du mouvement du spin. Nous avons pu montrer qu’un lien certain existe entre les oscillations du mouvement du spin et l’apparition des états de puits quantiques. Dans une seconde expérience, nous avons observé des oscillations à la fois de l’intensité et du mouvement du spin en fonction de l’épaisseur de la couche de couverture et ceci pour plusieurs énergies des électrons incidents. Nous avons montré qu’un modèle d’interféromètre électronique de type Fabry-Pérot permet de très bien modéliser ces oscillations. Ce modèle nous a aussi permis de déterminer des paramètres comme le coefficient de réflectivité ou la différence de phase entre les électrons de spin up et de spin down de l’interface Cu/Co.

Type d'EPrint:Thèse de doctorat
Sujets:CL Classification > DDC Dewey Decimal Classification > 500 Sciences de la nature et mathématiques > 530 Physique > 539 Physique moderne > 539.1 Structure de la matière
Classification Thèses Unistra > Sciences, technologies > Sciences de la nature et mathématiques > 530 Physique > 539 Physique moderne > 539.1 Structure de la matière

UNERA Classification UNERA > ACT Domaine d'activité UNERA > ACT-9 Electronique, automatique, électrotechnique, génie électrique
UNERA Classification UNERA > DISC Discipline UNERA > DISC-20 Physique, chimie, matériaux
Code ID:1148
Déposé le :20 Octobre 2006

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