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Neste trabalho apresentamos a construção de um medidor de campo magnético (gaussímetro) com alta sensibilidade e detecção de 1 a 80 mT, constituído de componentes eletrônicos simples, com proposta de aplicação em uma montagem experimental para geração de correntes puras de spin por meio do efeito spin Seebeck. Através de um cabo USB, o dispositivo é alimentado e troca dados com um computador via comunicação em linguagem C + + com o Arduino Uno, em conjunto com uma interface gráfica LabVIEW. Para realizar medidas em ambientes de profundidade, como no interior de eletroímãs, desenvolveu-se uma sonda Hall. O equipamento também dispõe de uma tela LCD. O sensor de campo magnético utilizado é o SS49E, com o qual foi possível obter medidas com resolução e alcance apropriadas. O gaussímetro foi empregado no desenvolvimento de uma montagem experimental para investigações dos efeitos spin Seebeck e spin Hall, onde estimamos o ângulo Hall de spin para bicamadas formada por um filme de platina (Pt) crescido sobre um filme magnético isolante de YIG. Portanto, o gaussímetro desenvolvido tem potencial para ser utilizado tanto em ambientes de ensino como os de pesquisa e tem como principal vantagem o baixo custo de produção, de aproximadamente 22 dólares. In this work we present the construction of a magnetic field meter (gaussmeter) with high sensitivity and detection from 1 to 80 mT, consisting of simple electronic components, with a proposal of application in an experimental setup for the generation of pure spin currents through the effect spin Seebeck. Through a USB cable, the device is powered and exchanges data with a computer via communication in C + + language with Arduino Uno, together with a LabVIEW graphical interface. To perform measurements in deep environments, such as inside electromagnets, a Hall probe was developed. The equipment also has an LCD screen. The magnetic field sensor used is the SS49E, with which it was possible to obtain measurements with appropriate resolution and range. The developed gaussmeter was used in the development of an experimental setup for investigations of the spin Seebeck and spin Hall effects, where it was possible to estimate the spin Hall angle for bilayers formed by a platinum (Pt) film grown on a YIG insulating magnetic film. Therefore, the developed gaussmeter has the potential to be used both in teaching and research environments and its main advantage is the low production cost, approximately US$ 22.00.

Gli isolanti topologici sono materiali che recentemente stanno attirando molta attenzione da parte della comunità scientifica, sono caratterizzati da un bulk isolante e da delle superfici sulle quali invece sono presenti degli stati topologici 2D. Sono caratterizzati da una struttura a bande a cono di Dirac, garantendo quindi una elevata mobilità dei portatori e la presenza di una polarizzazione di spin in funzione del momento elettronico. Tale associazione fra spin e momento dei portatori si traduce nel fatto che dipendentemente dalla direzione della corrente imposta nel materiale si crea una polarizzazione superficiale. Essendo tale fenomeno invertibile (imponendo una polarizzazione superficiale si genera una corrente nel materiale) tali materiali possono essere usati come convertitori carica-spin e viceversa, garantendo in entrambi i casi un basso consumo di energia e una elevata velocità. Per questi motivi gli isolanti topologici risultano degli ottimi candidati per rendere più efficienti alcuni dispositivi presenti nell’elettronica tradizionale fra cui le memorie e le logiche. Al momento gli isolanti topologici sono cresciuti principalmente tramite MBE e tale tecnica di crescita non è compatibile con gli standard industriali, per via degli elevati costi che sarebbero necessari per supportare una produzione di massa. Risulta quindi importante ottimizzare dei processi di crescita meno costosi e compatibili con il mondo dell’industria per favorire il trasferimento di tale tecnologia nel campo della microelettronica tradizionale, come ad esempio i processi basati sulla metal-organic chemical vapor depositioin (MOCVD). In questa tesi vengono caratterizzati film sottili di Sb2Te3, Bi2Te3 e di un bilayer composto da Sb2Te3/Bi2Te3 cresciuti tramite MOCVD su wafer intrinseci di Si(111) larghi 4 ‘’. L'obiettivo è stato quello di convalidare il comportamento topologico di questi materiali cresciuti tramite MOCVD con particolare attenzione alla verifica delle loro proprietà funzionali elettroniche e magnetiche. L’esistenza delle superfici topologiche in questi materiali è stata studiata tramite l’analisi delle proprietà magnetoelettriche, usando il modello di HLN e tramite l’osservazione della struttura a banda fatta utilizzando angle-resolved photoemission spettroscopy (ARPES). Abbiamo verificato che in tutti gli isolanti topologici che abbiamo cresciuto, il trasporto viene parzialmente supportato da elettroni appartenenti agli stati topologici e parzialmente supportato da elettroni appartenenti a stati di bulk, quindi privi di elevata mobilità e di proprietà magnetiche. Tale contributo alla conduzione dagli stati di bulk si è particolarmente impattante nel Bi2Te3 e ciò è dovuto al fatto che il livello di Fermi si trova in corrispondenza delle bande di conduzione del bulk. Abbiamo dunque modificato la posizione del livello di Fermi nel Bi2Te3 crescendolo al di sopra di un campione di Sb2Te3, sempre tramite MOCVD. Mediante ARPES, abbiamo verificato un chiaro spostamento del livello di Fermi verso il punto di Dirac riducendo drasticamente il contributo degli stati di bulk alla conduzione. I due materiali con la struttura a bande più vicina a quella di un isolante topologico ideale, ovvero Sb2Te3 e Sb2Te3/Bi2Te3 sono stati utilizzati per stimarne l’efficienza di conversione spin-carica quando posti al di sotto di un ferromagnete (Co). Entrambi hanno dimostrato una efficienza di conversione comparabile se non maggiore rispetto a quella di materiali cresciuti con MBE, quindi validando a pieno la loro funzionalità. In ultima istanza sono stati cresciuti dei film 2D ferromagnetici basati sulla lega CrTe, su tutti gli isolanti topologici fabbricati tramite MOCVD. Il loro comportamento magnetico è stato verificato tramite microscopia MOKE costituendo un primo passo verso la realizzazione di dispositivi spintronici basati sull’integrazione di tali materiali sugli isolanti topologici cresciuti con MOCVD. Chalcogenide thin films, such as Bi2Te3 and Sb2Te3 have been under the scientific community’s attention since long, due to their application as thermoelectric material. Recently, they are gaining additional interest because of their potential use as Topological Insulators (TIs). TIs are materials that combine the existence of insulating bulk with the presence of surfaces hosting Topological Surface States (TSS). TSS are characterized by a Dirac-like band structure with intrinsic momentum-dependent spin polarization and extremely high mobility. These features translate into the possibility of controlling the magnetization of an adjacent magnetic media by applying an electric field across the TI (charge-to-spin conversion) or vice versa (spin-to-charge conversion), in both cases with very low electrical dissipation and limited operation time. Because of these astonishing electrical properties, they have been proposed as potential materials to boost the integration of spintronic devices into ordinary electronics. However, the main currently used technique to grow TIs is Molecular Beam Epitaxy, which is not suitable to guarantee the TIs’ mass production, mainly due to the high cost to be faced when targeting wafers-scaled growth. Achieving the growth of TIs through methods allowing an easier technology transfer is therefore demanding. Among them, chemical methods are thought to be a good solution to achieve conformal TIs’ growth on large-area substrates, at a limited cost. In this thesis, I used metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) to optimize the growth of p-type Sb2Te3, n-type Bi2Te3, and combined Sb2Te3/Bi2Te3 bilayer, on top of Si(111) intrinsic substrate. The main focus has been to validate the topological behavior of such large-area TIs by a thorough study of their (magneto) electrical and electronic properties. In all cases, the clear existence of TSS has been demonstrated by analyzing the observed weak-antilocalization (WAL) effect and by imaging the band structure with angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). In all the TIs, there is the existence of a non-negligible contribution to the global transport mechanism arising from the bulk states. This is particularly true in the Bi2Te3 single layers, due to the Fermi level crossing the bulk states. A core activity of the thesis’s work was therefore dedicated to attempt the Bi2Te3’s band structure engineering by coupling it with Sb2Te3 in a full in-situ MOCVD process. In particular, with Sb2Te3 and Bi2Te3 sharing the same crystalline structure, the growth of Bi2Te3 on top of Sb2Te3 was optimized. By ARPES, we observed a clear shift of the Fermi level towards the Dirac point. As a direct consequence, the bulk contribution to the global transport mechanism is largely suppressed, and this is reflected in MC shape which is very close to the cusp-like one expected for ideal TIs where the bulk is insulating. The MOCVD-developed TIs has been finally integrated in simple heterostructures with simple (Co-based) ferromagnetic layers, in order to test their potentiality as spin-charge converters. In particular, by means of spin-pumping ferromagnetic resonance (SP-FMR), the spin-charge conversion occurring in Sb2Te3 and the bilayer of Sb2Te3/Bi2Te3 has been measured by taking advantage of the clear favorable position of the Fermi level close to the Dirac point. For both systems, SP-FMR demonstrated quite a large spin-charge conversion, thus confirming that the MOCVD-grown Si/Sb2Te3 and Si/Sb2Te3/Bi2Te3 are promising candidates to be integrated into future spintronic devices based on TIs. The successful growth of the 2D ferromagnet CrTe-based alloy on top of our MOCVD-grown TIs has also been achieved, and the magnetic properties of the 2D ferromagnets were verified by MOKE microscopy, constituting a first step towards the development of a full chalcogenide-based spin-charge converter.

As it becomes more and more difficult to miniaturize electronic circuits, the information industry is faced with an existential crisis: soon, it will no longer be possible to significantly expand the computational power of tried-and-trusted electronic technology. It should come as no surprise that both science and industry are frantically searching for a way to avert this impending catastrophe, and are even willing to entertain the notion of abandoning conventional electronics altogether if a more future-proof alternative can be found. One field of research that has this potential is spintronics: the use of intrinsic angular momentum---better known as spin---of electrons to store information. One of the key promises of spintronics is the ability to transport digital information without the need to shuttle around electrons, thereby avoiding the adverse phenomenon of Joule heating. To this end, one may simply perturb the magnetic order of a magnetic material. Doing so generates a spin wave or magnon, in which spin is passed between neighboring electrons while their position remains unchanged. In the subfield of magnonics---the study of magnons---the use of electrically insulating magnetic materials is currently being studied extensively by both experimentalists and theoreticians. In this thesis, I study the theoretical properties of magnons in three different systems involving a magnetic insulator and a heavy metal. In Chapter 4, I investigate whether ferromagnetic magnons can contribute to a phenomenon known as unidirectional spin-Hall magnetoresistance (USMR): a change in magnetoresistence of spintronic systems that occurs when the direction of an electric current is reversed. I predict that such an effect can indeed exist, but will most likely be very small. In Chapter 5, I focus on ballistic transport of magnons in one-dimensional ferromagnetic insulator (FI) chains exhibiting strong aniotropy. The anisotropy causes the magnons to become elliptically polarized, which breaks spin conservation and gives rise to characteristics not seen in systems with circular magnons, one example of which is squeezing: a fundamental asymmetry in quantum noise. The strong anisotropy required to produce significant magnon ellipticity is uncommon in real FIs. In Chapter 6, I therefore extend the work of Chapter 5 to antiferromagnetic spin chains, which bear mathematical semblance to anisotropic ferromagnets, but have ellipticity-producing terms that are intrinsically large. I show that the behavior of these systems depends strongly on the coupling to the antiferromagnet's different sublattices. Although fairly minimal representations of real systems are developed in this work, they nevertheless have large, mostly unexplored parameter spaces, providing ample opportunity for further research in the near future. In the case of magnonic USMR in particular, recent experimental work by Liu et al. [Phys. Rev. Lett., 127:207206, Nov 2021] provides observations that run counter to our model, suggesting an extension of our work is necessary to capture the full phenomenology. On longer terms, a thorough understanding of the behavior of magnons may lead to pure-spintronic devices featuring low dissipation and extremely high operating frequencies. This, in turn, may revitalize advancement of computer hardware after the expected breakdown of Moore's law.

As it becomes more and more difficult to miniaturize electronic circuits, the information industry is faced with an existential crisis: soon, it will no longer be possible to significantly expand the computational power of tried-and-trusted electronic technology. It should come as no surprise that both science and industry are frantically searching for a way to avert this impending catastrophe, and are even willing to entertain the notion of abandoning conventional electronics altogether if a more future-proof alternative can be found. One field of research that has this potential is spintronics: the use of intrinsic angular momentum---better known as spin---of electrons to store information. One of the key promises of spintronics is the ability to transport digital information without the need to shuttle around electrons, thereby avoiding the adverse phenomenon of Joule heating. To this end, one may simply perturb the magnetic order of a magnetic material. Doing so generates a spin wave or magnon, in which spin is passed between neighboring electrons while their position remains unchanged. In the subfield of magnonics---the study of magnons---the use of electrically insulating magnetic materials is currently being studied extensively by both experimentalists and theoreticians. In this thesis, I study the theoretical properties of magnons in three different systems involving a magnetic insulator and a heavy metal. In Chapter 4, I investigate whether ferromagnetic magnons can contribute to a phenomenon known as unidirectional spin-Hall magnetoresistance (USMR): a change in magnetoresistence of spintronic systems that occurs when the direction of an electric current is reversed. I predict that such an effect can indeed exist, but will most likely be very small. In Chapter 5, I focus on ballistic transport of magnons in one-dimensional ferromagnetic insulator (FI) chains exhibiting strong aniotropy. The anisotropy causes the magnons to become elliptically polarized, which breaks spin conservation and gives rise to characteristics not seen in systems with circular magnons, one example of which is squeezing: a fundamental asymmetry in quantum noise. The strong anisotropy required to produce significant magnon ellipticity is uncommon in real FIs. In Chapter 6, I therefore extend the work of Chapter 5 to antiferromagnetic spin chains, which bear mathematical semblance to anisotropic ferromagnets, but have ellipticity-producing terms that are intrinsically large. I show that the behavior of these systems depends strongly on the coupling to the antiferromagnet's different sublattices. Although fairly minimal representations of real systems are developed in this work, they nevertheless have large, mostly unexplored parameter spaces, providing ample opportunity for further research in the near future. In the case of magnonic USMR in particular, recent experimental work by Liu et al. [Phys. Rev. Lett., 127:207206, Nov 2021] provides observations that run counter to our model, suggesting an extension of our work is necessary to capture the full phenomenology. On longer terms, a thorough understanding of the behavior of magnons may lead to pure-spintronic devices featuring low dissipation and extremely high operating frequencies. This, in turn, may revitalize advancement of computer hardware after the expected breakdown of Moore's law.

At the familiar liquid-gas phase transition in water, the density jumps discontinuously at atmospheric pressure, but the line of these first-order transitions defined by increasing pressures terminates at the critical point, a concept ubiquitous in statistical thermodynamics. In correlated quantum materials, a critical point was predicted and measured terminating the line of Mott metal-insulator transitions, which are also first-order with a discontinuous charge density. In quantum spin systems, continuous quantum phase transitions (QPTs) have been investigated extensively, but discontinuous QPTs have received less attention. The frustrated quantum antiferromagnet SrCu$_2$(BO$_3$)$_2$ constitutes a near-exact realization of the paradigmatic Shastry-Sutherland model and displays exotic phenomena including magnetization plateaux, anomalous thermodynamics and discontinuous QPTs. We demonstrate by high-precision specific-heat measurements under pressure and applied magnetic field that, like water, the pressure-temperature phase diagram of SrCu$_2$(BO$_3$)$_2$ has an Ising critical point terminating a first-order transition line, which separates phases with different densities of magnetic particles (triplets). We achieve a quantitative explanation of our data by detailed numerical calculations using newly-developed finite-temperature tensor-network methods. These results open a new dimension in understanding the thermodynamics of quantum magnetic materials, where the anisotropic spin interactions producing topological properties for spintronic applications drive an increasing focus on first-order QPTs., 8+4 pages, 4+3 figures

No presente trabalho será discutido um conjunto de procedimentos e técnicas para se calcular parâmetros de transporte para sistemas magnéticos bidimensionais. O autor discute de forma abreviada métodos para tratamento de sistemas magnéticos, a fenomenologia associada ao efeito Hall quântico e a propagação de ondas de spin. Modelos físicos simples são usados para motivar conceitos da topologia e da geometria diferencial que são usados para se calcular coeficientes de transporte relevantes ao estudo do efeito Hall quântico. Por fim, as técnicas discutidas são aplicadas ao estudo das redes de Chevron e rede Union Jack. In the present work it will be discussed a set of procedures and techniques to calculate transport parameters for two dimensional magnetic systems. The author discuss briefly methods to handle magnetic systems, the phenomenology associated to the quantum hall effect and spin wave propagation. Simple physical models are used to motivate concepts from topology and differential geometry that are used to calculate transport coefficients relevant to the study of quantum Hall effects. The techniques discussed are then applied to the study of Chevron and Union Jack lattices.

Nel campo dei semiconduttori, lo studio delle proprietà spin dipendenti forniscono informazioni fondamentali per la realizzazione di dispositivi che uniscano spin, fotonica ed elettronica. In questi dispositivi l’informazione è codificata nel grado di libertà (DOF) dello spin, sfruttando l’accoppiamento spin-orbita (SOC) tra il momento angolare del fotone e lo spin del portatore. Ho concentrato la mia ricerca sullo studio del SOC con spettroscopia ottica in Si, Ge, Sn e loro leghe. Questi materiali possiedono proprietà promettenti per applicazioni di spintronica, tra cui lunghi tempi di vita e lunghezze di diffusione dello spin. I processi di fabbricazione aprono la strada all’ingegnerizzazione del bandgap e dello strain come DOF addizionali per sintonizzare i fenomeni spin-dipendenti. La spettroscopia ottica permette di superare i problemi delle misure elettriche, come la qualità dei contatti, che impediscono una stima corretta dei parametri cinetici. I pozzi quantici (QW), sono valide piattaforme per unire i DOF sopracitati e permettere la manipolazione dello spin con campi elettrici. Nei sistemi a QW che mancano della simmetria di inversione di punto o di quella strutturale (BIA/SIA), la degenerazione di spin è rimossa dai campi Dresselhaus o Rashba. In quanto campi magnetici, possono agire agiscono sullo spin cambiandone l’orientazione. La SIA può sorgere da un drogaggio asimmetrico. In questo caso, il dispositivo possiede anche un campo elettrico che può essere sfruttato. Infatti, con un campo elettrico esterno si può modulare il campo Rashba, manipolando lo spin. Questa possibilità è significativa per la spintronica, si pensi allo spin-FET, dove la tensione di gate seleziona l’orientazione dello spin e quindi lo stato on/off. Ho eseguito misure di fotoluminescenza (PL) su campioni costituiti da uno stack di 50 QW di Ge/Si0.15Ge0.85 cresciuto nella zona intrinseca di un diodo p-i-n. Il drogaggio asimmetrico introduce la SIA, permettendo di manipolare elettricamente lo spin. Tramite due contatti in Al, ho sintonizzato un campo elettrico esterno e studiato gli effetti sulla popolazione di spin tramite PL. Inoltre, un’analisi in funzione della potenza ha mostrato una dipendenza della polarizzazione della PL dalla pompa ottica. Ho studiato anche una singola modulation-doped QW Ge0.91Sn0.09/Ge. Il profilo di banda confina delle lacune e permette la formazione di un gas bidimensionale di lacune. La struttura asimmetrica introduce la SIA, permettendo di studiare meccanismi di conversione spin-carica. Tramite litografia ho realizzato una barra di Hall ed ho eseguito misure di effetto spin-Hall inverso, da cui ho potuto estrarre l’angolo di spin-Hall. Ho anche compiuto misure magneto-ottiche a 4K, sfruttando l’effetto Hanle, per ottenere il tempo di vita (T) del portatore, che risulta di pochi ns. L’effetto Hanle è stato applicato per la prima volta nei materiali del quarto gruppo in epistrati di Ge1-xSnx (sotto), e l’ho esteso alle QW, dimostrandosi una tecnica affidabile per determinare T. Ho studiato anche campioni di epistrato di Ge1-xSnx. Il contenuto di Sn varia da 0 a 10 %, e lo strain compressivo assicura una natura indiretta del bandgap. Ho estratto T e ho trovato un comportamento non banale al variare della percentuale di Sn, la cui origine può essere attribuita alla presenza di difetti del cristallo. Questi difetti sono dovuti possibilmente alla crescita fortemente fuori equilibrio necessaria per la realizzazione di campioni di Ge1-xSnx ricchi in Sn. Per concludere, in questa tesi mi sono occupato di misure ottiche per indagare il SOC in eterostrutture di materiali del IV gruppo. I risultati ottenuti sono un passo in avanti nell’investigazione della dinamica dello spin elettronico del gruppo IV e aprono la strada verso studi futuri sulla manipolazione elettro-ottica dello spin in tecnologie quantistiche basate sull’interazione spin-luce, come spin-FET, spin-laser In the field of semiconductors, the study of spin-dependent properties provides fundamental information needed for the realization of devices that merge spin, photonic and electronic functionalities. In these devices the information is encoded in the spin degree of freedom (DOF), exploiting the interaction between the angular momentum of the photon and the carrier spin via the spin-orbit coupling (SOC). I focused on the study of SOC in Si, Ge, Sn and their alloys using optical spectroscopy. These materials possess promising properties for spintronics applications such as long spin lifetime, diffusion length and decoherence time. Notably, the advanced manufacture also opens the way to bandgap and strain engineering as further DOF to tune spin-dependent phenomena, whereas the application of optical spectroscopy allows to overcome typical problems of electrical measurements, e.g., the quality of contacts, that hamper the estimation of carrier kinetics parameters Quantum well (QW) systems are valid platforms to merge all the aforementioned DOF and to also introduce a way to manipulate the spin via electric fields. Indeed, in QW systems that possess bulk or structure inversion asymmetry (BIA/SIA), the spin degeneracy is removed due to the Dresselhaus or Rashba fields. As effective magnetic fields, they can act on the spin of a carrier, ultimately changing its orientation. SIA can arise from an asymmetric doping of the device. In this case, the device also possesses an intrinsic electric field, which can be of practical use for applications. Indeed, an external field can be applied to tune the Rashba field, achieving spin manipulation. This opportunity has a strong impact in spintronics devices, such as the spin-FET, where the gate voltage selects the orientation of the spin and switch between on/off states I carried out photoluminescence (PL) investigations on a stack of 50 Ge/Si0.15Ge0.85 QWs grown within the intrinsic region of a p-i-n diode. The asymmetric doping introduces the SIA, necessary for achieving electrical manipulation of the spin. Via a pair of Al contacts, I was also able to study the effect of a tunable external electric field on the spin population via continuous-wave as well as time-resolved PL. Additionally, a power dependent analysis unveiled a strong effect of the light pump on the polarization I also performed PL measurements on a single modulation-doped Ge0.91Sn0.09/Ge QW. The band edge profile confines holes in the well, resulting in the formation of a two-dimensional hole gas. The asymmetric structure introduces the SIA and allows for the observation of spin-to-charge conversion mechanisms in this 2D system. I patterned a Hall bar on the sample and performed inverse spin-Hall effect measurements, extracting the spin-Hall angle. I also performed magneto-optics measurement, namely the Hanle effect, to unveil the carrier lifetime (T) of the material, which is in the ns regime at 10 K. This optical technique was applied for the first time to group IV materials in Ge1-xSnx epilayers (below), and was extended also to the QW system, proving it to be a reliable and easy method to determine T I have also studied Ge1-xSnx epilayers. The Sn content was varied from 0 to 10 %, while the compressive strain ensured an indirect bandgap nature. I applied Hanle effect to extract T and I unveiled a non-trivial behaviour with the Sn content, whose origin is ascribed to the presence of crystal flaws possibly due to the strong out-of-equilibrium growth conditions required for the realization of Sn-rich Ge1-xSnx samples In conclusion, this thesis is devoted to an all-optical investigation of SOC in heterostructures of group IV materials. The results obtained here are a step forwards in the investigation of spin dynamics of electrons in group IV and pave the way to future exploration of electrical-optical manipulation of spins in quantum technologies based on spin-photon interaction such as spin-FETs and spin-lasers

We analyze the thermodynamic behavior of a ferromagnetic mean-spherical model with three distinct spin components and the addition of Dzyaloshinkii–Moriya interactions. Exact calculations are performed for classical and quantum versions of this lattice model system. We show the onset of space modulated structures at low temperatures.

Aquesta tesi està dedicada a la modelització teòrica d'estructures esquirmiòniques i la seva interacció amb altres agents. En primer lloc, considerem com els defectes del material poden afectar les trajectòries dels esquirmions. A partir d'un defecte atòmic, proposem un model de partícules per tenir en compte els defectes extensos (a l'espai), com ara les dislocacions de gra. Aquest model ens permet obtenir expressions analítiques dels punts crítics de les trajectòries dels esquirmions i de la velocitat de corrent llindar per sobre de la qual aquests punts crítics deixen d'existir. Hem trobat que un defecte de línia (per exemple, la dislocació del gra) pot guiar els esquirmions al llarg del defecte i accelerar-los. També es troba que una disposició periòdica d'aquests defectes crea una matriu de fixació periòdica per als esquirmions. D'aquesta manera obtenim un escenari en el qual apareixen aquest tipus de potencials, donant una certa base física a potencials ad hoc utilitzats anteriorment. Aleshores, considerem la interacció d'un disc ferromagnètic amb un disc superconductor coaxial. La interacció està mediada pels camps creats per les estructures de magnetització i els corrents, mitjançant un acoblament bidireccional. Per al ferromagnètic, utilitzem el model micromagnètic i per al superconductor, utilitzem el model de London. Això ens permet obtenir la magnetització i les distribucions de corrent simultàniament. Per caracteritzar el sistema en funció del camp aplicat, primer considerem un bucle d'histèresi del camp aplicat. Hem caracteritzat les transicions entre diferents estats magnètics. En particular, trobem una transició addicional de esquirmió a 2pi causada per la presència d'un superconductor. Els resultats es complementen amb càlculs del mètode de bandes elàstiques geodèsiques, que ens permeten estudiar l'estabilitat dels estats magnètics. També estudiem el comportament del sistema en funció de la distància de separació entre plaques trobant les seves forces d'interacció. En resum, en aquesta tesi proposem diferents models que podrien permetre desenvolupar nous dispositius esquirmiònics. Discutim algunes possibles aplicacions, com ara racetracks esquirmiònics, trampes magnètiques atòmiques basades en esquirmions, lògica ternària i metamaterials esquirmiònics. Esta tesis está dedicada a la modelización teórica de las estructuras de esquirmión y su interacción con otros agentes. En primer lugar, consideramos cómo los defectos del material pueden afectar a las trayectorias del esquirmión. A partir de un defecto atómico, proponemos un modelo de partículas para tener en cuenta los defectos extendidos (en el espacio), como las dislocaciones de grano. Este modelo nos permite obtener expresiones analíticas para los puntos críticos de las trayectorias del esquirmión y para la velocidad de corriente umbral por encima de la cual estos puntos críticos dejan de existir. Encontramos que un defecto de línea (por ejemplo, una dislocación de grano) puede guiar los esquirmiones a lo largo del defecto y acelerarlos. También se encuentra que una disposición periódica de dichos defectos crea un conjunto de pinning periódico para los esquirmiones. De este modo, derivamos un escenario en el que aparecen estos tipos de potenciales, dando alguna base física a los potenciales ad hoc utilizados anteriormente. A continuación, consideramos la interacción de un disco ferromagnético con un disco superconductor coaxial. La interacción está mediada por los campos creados por las estructuras de magnetización y las corrientes, a través de un acoplamiento bidireccional. Para el ferromagnético, utilizamos el modelo micromagnético y para el superconductor, el modelo de London. Esto nos permite obtener las distribuciones de magnetización y de corriente simultáneamente. Para caracterizar el sistema en función del campo aplicado, consideramos primero un bucle de histéresis de campo aplicado. Hemos caracterizado las transiciones entre diferentes estados magnéticos. En particular, encontramos una transición adicional de esquirmión a 2pi causada por la presencia de un superconductor. Los resultados se complementan con cálculos por el método de bandas elásticas geodésicas, que nos permiten estudiar la estabilidad de los estados magnéticos. También se estudia el comportamiento del sistema en función de la distancia de separación entre placas encontrando sus fuerzas de interacción. En resumen, en esta tesis proponemos diferentes modelos que podrían permitir el desarrollo de nuevos dispositivos de esquirmión. Discutimos algunas posibles aplicaciones como los racetracks esquirmiónicos, las trampas magnéticas atómicas basadas en esquirmiones, la lógica ternaria y los metamateriales esquirmiónicos. This thesis is devoted to the theoretical modeling of skyrmionic structures and their interaction with other agents. First, we consider how defects in the material can affect the skyrmion trajectories. From an atomic defect, we propose a particle model to take into account extended (in space) defects, such as grain dislocations. This model allows us to obtain analytical expressions for the critical points of the skyrmion trajectories and for the threshold current velocity above which these critical points cease to exist. We found that a line defect (e.g. grain dislocation) can guide the skyrmions along the defect and speed them up. It is also found that a periodic arrangement of such defects creates a periodic pinning array for skyrmions. In this way we derive a scenario in which these types of potentials appear, giving some physical basis to previously used ad hoc potentials. Then, we consider the interaction of a ferromagnetic disk with a coaxial superconducting disk. The interaction is mediated via the stray fields created by the magnetization structures and the currents, through a two-way coupling. For the ferromagnetic, we use the micromagnetic model and for the superconductor, we use the London model. This allows us to obtain the magnetization and current distributions simultaneously. To characterize the system as a function of the applied field, we first consider a hysteresis loop of applied field. We have characterized the transitions between different magnetic states. In particular, we find an additional skyrmion-to-2pi transition caused by the presence of a superconductor. The results are complemented with geodesic nudged elastic band method calculations, which allow us to study the magnetic states' stability. We also study the system's behavior as a function of the separation distance between plates finding their interaction forces. To sum up, in this thesis we propose different models that could enable novel skyrmionic devices to be developed. We discuss some possible applications such as skyrmionic racetracks, skyrmion-based atomic magnetic traps, ternary logic, and skyrmionic metamaterials.

Skyrmions são quase-partículas que contam com características que os tornam viáveis para a aplicação em novas gerações de dispositivos de memórias e de processamento de dados. Isso é devido ao seu pequeno tamanho, sua estabilidade e à sua alta mobilidade em sistemas magnéticos quase bidimensionais. Skyrmions antiferromagnéticos se sobressaem aos skyrmions ferromagnéticos por necessitarem de densidade de corrente menor e não apresentarem Efeito Hall de Skyrmion em sua dinâmica. É necessário entender como um skyrmion antiferromagnético se comporta em uma nanotrilha, o controle de sua posição e de seu tamanho é de fundamental importância para sua aplicação em dispositivos spintrônicos. No presente trabalho estudamos o comportamento de um skyrmion antiferromagnético estabilizado em uma bicamada formada por trifluoreto de potássio manganês sobre platina (KMnF3/P t). Nossos estudos foram feitos via simulação computacional micromagnética utilizando um software próprio desenvolvido pelo nosso grupo de pesquisa. Como resultado verificamos que o balanço das interações de Dzyaloshinskii-Moriya e anisotropia magnetocristalina perpendicular é de fundamental importância na estabilização de skyrmions antiferromagnéticos, bem como no seu tamanho e forma. Obtendo o estado de equilíbrio de um skyrmion inicialmente posicionado em uma interface entre dois meios antiferromagnéticos distintos, verificamos que a quase-partícula é atraída ou repelida para uma região magneticamente modificada, com isso concluímos que é possível a construção de armadinhas para skyrmions antiferromagnéticos. As armadilhas para skyrmions são importantes no controle de sua posição na nanotrilha, visto que a existência ou ausência do skyrmion em determinada região pode armazenar informação de forma binária. Acreditamos que este estudo seja útil como guia na busca de novos materiais capazes de estabilizar skyrmions antiferromagnéticos. Os resultados contidos neste trabalho corroboram ou ampliam os estudos em skyrmions antiferromagnéticos. Skyrmions are quasi-particles that have characteristics that make them viable for application in new generation memory and data processing devices. This is due to its small size, its stability, and its high mobility in nearly two-dimensional magnetic systems. Antiferromagnetic skyrmions stand out from ferromagnetic skyrmions because they need a lower current density and do not show Skyrmion Hall Effect in their dynamics. It is necessary to understand how an antiferromagnetic skyrmion behaves in a nanotrack, the control of its position and size is of fundamental importance for its application in spintronic devices. In this work we study the behavior of an antiferromagnetic skyrmion stabilized in a bilayer formed by potassium manganese trifluoride on platinum (KMnF3/P t). Our studies were carried out via micromagnetic computer simulation using proprietary software developed by our research group. As a result, we verified that the balance of Dzyaloshinskii-Moriya interactions and perpendicular magneto crystalline anisotropy is of fundamental importance in the stabilization of antiferromagnetic skyrmions, as well as in their size and shape. Obtaining the equilibrium state of a skyrmion initially positioned at the interface between two distinct antiferromagnetic means, we verified that the quasi-particle is attracted or repelled to a magnetically modified region, with this we conclude that it is possible to build traps for antiferromagnetic skyrmions. Skyrmion traps are important in controlling their position on the nano trail since the existence or absence of the skyrmion in a certain region can store information in binary form. We believe that this study is useful as a guide in the search for new materials capable of stabilizing antiferromagnetic skyrmions. The results contained in this work corroborate or extend the studies on antiferromagnetic skyrmions.

The development of spintronic devices demands the existence of materials with some kind of spin splitting (SS). In this Data Descriptor, we build a database of ab initio calculated SS in 2D materials. More than that, we propose a workflow for materials design integrating an inverse design approach and a Bayesian inference optimization. We use the prediction of SS prototypes for spintronic applications as an illustrative example of the proposed workflow. The prediction process starts with the establishment of the design principles (the physical mechanism behind the target properties), that are used as filters for materials screening, and followed by density functional theory (DFT) calculations. Applying this process to the C2DB database, we identify and classify 358 2D materials according to SS type at the valence and/or conduction bands. The Bayesian optimization captures trends that are used for the rationalized design of 2D materials with the ideal conditions of band gap and SS for potential spintronics applications. Our workflow can be applied to any other material property.

Submitted by Teresa Silva CTC/D (teresadasilvarj@gmail.com) on 2022-01-31T21:49:19Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Pedro Henrique dos Santos da Silva - 2021 - Completa.pdf: 3242462 bytes, checksum: 0e54ee4c0fd5429e9d77a3b65f49dc71 (MD5) Made available in DSpace on 2022-01-31T21:49:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação - Pedro Henrique dos Santos da Silva - 2021 - Completa.pdf: 3242462 bytes, checksum: 0e54ee4c0fd5429e9d77a3b65f49dc71 (MD5) Previous issue date: 2021-09-17 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES In this dissertation, we studied the barocaloric effect with spin-crossover transition in the compound CrI₂(depe)₂. We obtained an giant isothermal entropy change (∆Sꚍ) and an adiabatic temperature change (∆Tad) under a moderate pressure variation applied on the system. The compound was investigated considering three contributions to entropy: configurational, magnetic and phonons, which were simulated using specific microscopic parameters. The high values of ∆Sꚍ = 40 J.kg⁻¹ .K⁻¹ e ∆Tad = 10.6 K for a ∆P = 2.0 kbar were obtained around the (T½) phase transition temperature between low ↔ high spin, and qualify it as a material with a giant barocaloric effect. In addition, due to the high value of the barocaloric parameter (δT½/δP approx52 K/kbar), a giant cooling capacity (RC = 3583 J.kg⁻¹) was determined for the compound CrI₂(depe)₂. Nesta dissertação, estudamos o efeito barocalórico com transição do tipo spin-crossover no composto CrI₂(depe)₂. Obtivemos uma variação isotérmica da entropia (∆Sꚍ) gigante e uma variação adiabática da temperatura (∆Tad) sob uma variação de pressão moderada aplicada sobre o sistema. O composto foi investigado considerando três contribuições para a entropia: configuracional, magnética e da rede cristalina, que foram simuladas utilizando parâmetros microscópicos próprios. Os altos valores de ∆Sꚍ = 40 J.kg⁻¹ .K⁻¹ and ∆Tad = 10.6 K para um ∆P = 2.0 kbar foram obtidos em torno da temperatura (T½) de transição de fase entre low ↔ high spin, e o qualificam como um material com efeito barocalórico gigante. Além disso, devido ao alto valor do parâmetro barocalórico (δT½/δP ≈ 52 K/kbar), uma gigante capacidade de refrigeração (RC = 3583 J.kg⁻¹) foi determinada para o composto CrI₂(depe)₂.

Orientador: Maria José Santos Pompeu Brasil Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin Resumo: Estudamos a transição de fase estrutural e magnética do MnAs em filmes epitaxiais crescidos por MBE sobre GaAs (001) e em amostras de GaAs (001) que sofreram implantação iônica de Mn e foram submetidas a um tratamento térmico. A transição estrutural nos dois tipos da amostra foi estudada com difração de raios-x em função da temperatura. Os resultados mostraram uma queda na concentração média de a MnAs de forma contínua e suave, com histerese térmica e coexistência de fases em intervalos de temperaturas de até 40o C, diferentemente da transição de primeira ordem no sistema bulk que é abrupta. Investigamos ainda a transição magnética e seu acoplamento com a transição estrutural nos filmes utilizando medidas de magnetometria SQUID e efeito Kerr magneto-óptico. Nas amostras com implantação iônica utilizamos a espectroscopia de massa de íons secundários (SIMS) e a microscopia de força atômica (AFM) para estudar a difusão do Mn para a superfície e a formação de nanoestruturas superficiais. Realizamos também medidas de difração de raios-x com incidência rasante (GID) para determinar a orientação da estrutura cristalina das nanoestruturas de MnAs com relação ao substrato. A morfologia e composição destas nanoestruturas foram estudadas por microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e análise de dispersão de raios-x (EDX) Abstract: We have studied the structural and magnetic phase transition of MnAs in films epitaxially grown by MBE on GaAs (001) and GaAs (001) implanted samples with Mn and subsequent annealing. In the two kinds of samples the structural transition was studied by x-ray diffraction as a function of temperature. The results presented a continuous and smooth decrease in the average concentration of a MnAs, characterizing a transition with thermal hysteresis and coexistence of the a and b phases in a temperature range up to 40o C. This behavior differs from that one of the bulk MnAs that presents an abrupt and discontinuous transition. We investigated the magnetic transition on the films and its coupling with the structural one, by experiments in a SQUID magnetometer and magneto-optical Kerr effect. In the implanted samples we performed the Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) and the Atomic Force Microscopy (AFM) to study the diffusion of Mn to the surface and the formation of superficial nanostructures. We also performed Grazing Incidence x-ray Diffraction (GID) to determinate the crystal orientation MnAs nanostructures with respect to the substrate. The morphological and compositional analysis of these nanostructures were estudied by high resolution Transmission Electron Microscopy (TEM) and Energy Dispersive x-ray Analysis (EDX) Mestrado Física Mestre em Física

Orientador: Maria José Santos Pompeu Brasil Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física "Gleb Wataghin" Resumo: Nesta dissertação investigamos os efeitos dos íons de Mn na dinâmica do spin de elétron em poços quânticos de InGaAs/GaAs. Os poços têm um gás de buracos gerado por dopagens em suas barreiras, sendo uma dopagem tipo delta de Mn numa das barreiras e uma dopagem tipo delta de C, na outra. A densidade de buracos foi determinada mediante medidas de transporte e são consistentes com as densidades obtidas das energias de Stokeshift. Utilizamos diversas técnicas ópticas, como a fotoluminescência no modo contínuo (PL-CW) e resolvida no tempo (PL-RT), a fotoluminescência de excitação (PLE-CW), e o efeito Hanle óptico, sempre usando luz circularmente polarizada para excitação e analisando a polarização circular da luz emitida. Comparamos os tempos de vida ( ? ) e de relaxação do spin ( ? s) dos elétrons obtidos através destas técnicas e discutimos as diferenças intrínsecas destes métodos e o significado físico dos parâmetros fornecidos por eles. Analisamos também o efeito da presença dos íons de Mn, que são íons magnéticos, sobre os tempos vida e de spin dos elétrons em uma série de amostras com diferentes quantidades de Mn incluindo a amostra de referencia sem Mn. Os resultados encontrados revelam um limite para a concentração de Mn, para a qual ambos, ? e ? s, apresentam uma queda abruta. Surpreendentemente, esta queda não afeita o grau de polarização CW, pois a razão ?/? s que determina este parâmetro permanece basicamente constante para todas as amostras Abstract: We have studied the effect of Mn ions on the spin-relaxation of electrons in a InGaAs/GaAs quantum well (QW). The QW has a two-dimensional hole-gas generated by doping the barriers, whereas one of the barriers has a Mn-planar layer and the other one, a C planarlayer. The hole densities were determined by Shubnikov-de-Haas oscillations and are consistent with the Stokes-shift energies obtained by optical measurements. We have performed continuouswave photoluminescence measurements (CW-PL), excitation photoluminescence (CW-PLE), timeresolved (TR-PL), and Hanle effect with circularly polarized excitation and detection. We compare the lifetime ( ? ) and the spin relaxation time ( ? s) obtained using those techniques and we discuss the differences between the various techniques and the physical meaning of those parameters. We also analyze the effect of Mn ions on ? s and ? for the series of samples with different Mn concentrations, including a reference sample with no Mn doping. The results revealed a threshold of Mn concentration at which both, and ? s, show a strong and abrupt fall. Surprisingly, this fall does not affect the CW effective polarization degree, since the ratio s that determines this parameter remains basically constant for all samples Mestrado Física da Matéria Condensada Mestre em Física

I dispositivi elettronici che sfruttano proprietà legate allo spin elettronico costituiscono un settore molto promettente per lo sviluppo della nanoelettronica del futuro. Recentemente, gli isolanti topologici tridimensionali (IT-3D), quando posti a contatto con materiali ferromagnetici (FM), giocano un ruolo centrale nel contesto del miglioramento dell’efficienza di conversione tra spin e carica elettronici in eterostrutture di tipo FM/TI. L’oggetto principale di questa tesi è lo studio delle interazioni chimico-fisiche tra l’IT-3D Sb2Te3, nelle sue forme granulare ed epitassiale, con film di Fe e Co attraverso l’uso di tecniche di Diffrazione/Riflettività di raggi-X, spettroscopia di risonanza ferromagnetica (FMR) e pompaggio di spin in risonanza ferromagnetica (SP-FMR). In concomitanza con l’ottimizzazione delle proprietà dei materiali, un particolare interesse è stato rivolto verso l’impatto industriale della ricerca presentata. Per questo motivo, per la produzione di Sb2Te3 e di alcuni dei FM impiegati, sono state impiegate tecniche di deposizione di materiali su larga scala ( 4 pollici), quali la Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) e l’Atomic Layer Deposition (ALD) rispettivamente. Una approfondita caratterizzazione chimica, strutturale e magnetica dell’interfaccia Fe/ Sb2Te3-granulare ha evidenziato un marcato intermixing tra i materiali e una generale tendenza degli atomi di Fe nel legare con l’elemento calcogenuro quando presente in un IT. Attraverso trattamenti termici rapidi e a bassa temperatura sottoposti sui film di Sb2Te3 granulare prima della crescita del Fe, l’interfaccia Fe/Sb2Te3-granulare è risultata morfologicamente più netta e chimicamente stabile. Lo studio di film sottili di Co cresciuti attraverso ALD su Sb2Te3 granulare ha permesso la produzione di interfacce Co/Sb2Te3-granulare di alta qualità, con la possibilità inoltre di modificare le proprietà magneto-strutturali dei film di Co attraverso una selezione appropriata di substrati. Con l’obbiettivo di migliorare le proprietà dei film di Sb2Te3, dei trattamenti termici specifici sono stati condotti su Sb2Te3 granulare appena cresciuto, ottenendo film di Sb2Te3 altamente orientati con una qualità cristallina vicina al cristallo singolo di tipo epitassiale. Questi substrati di Sb2Te3 sono stati utilizzati per produrre eterostrutture di Au/Co/Sb2Te3-epitassiale e Au/Co/Au/Sb2Te3-epitassiale per studiare la loro risposta di FMR. I dati di FMR per il campione Au/Co/Sb2Te3-epitassiale sono stati interpretati considerando un contributo di Two Magnon Scattering (TMS) dominante, verosimilmente a causa della presenza di rugosità magnetica all’interfaccia Co/Sb2Te3-epitassiale. L’introduzione di un interlayer di Au per evitare il contatto diretto tra Co e Sb2Te3 si è dimostrato vantaggioso per la totale eliminazione del contributo di TMS. Misure di SP-FMR sono state condotte sulla struttura ottimizzata Au/Co/Au/Sb2Te3-epitassiale, sottolineando il ruolo giocato dallo strato di Sb2Te3-epitassiale nel processo di SP. I segnali di SP ricavati da campioni di Au/Co/Au/Si(111) e Co/Au/Si(111) sono stati utilizzati per determinare l’efficienza di conversione spin-carica ottenuta dall’introduzione dello strato di Sb2Te3. L’efficienza estratta è stata calcolata interpretando i dati di SP-FMR attraverso i modelli di effetto Edelstein inverso ed effetto di Spin-Hall inverso, i quali hanno dimostrato che l’IT-3D Sb2Te3 è un candidato promettente per essere impiegato nella prossima generazione di dispositivi spintronici. Spin-based electronic devices constitute an intriguing area in the development of the future nanoelectronics. Recently, 3D topological insulators (TI), when in contact with ferromagnets (FM), play a central role in the context of enhancing the spin-to-charge conversion efficiency in FM/TI heterostructures. The main subject of this thesis is the study of the chemical-physical interactions between the granular and epitaxial Sb2Te3 3D-TI with Fe and Co thin films by means of X-ray Diffraction/Reflectivity, Ferromagnetic Resonance spectroscopy (FMR) and Spin Pumping-FMR. Beside the optimization of the materials properties, particular care was taken on the industrial impact of the presented results, thus large-scale deposition processes such as Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) and Atomic Layer Deposition (ALD) were adopted for the growth of the Sb2Te3 3D-TI and part of the FM thin films respectively. A thorough chemical, structural and magnetic characterization of the Fe/granular Sb2Te3 interface evidenced a marked intermixing between the materials and a general bonding mechanism between Fe atoms and the chalcogen element in chalcogenide-based TIs. Through rapid and mild thermal treatments performed on the granular Sb2Te3 substrate prior to Fe deposition, the Fe/granular-Sb2Te3 interface turned out to be sharper and chemically stable. The study of ALD-grown Co thin films deposited on top of the granular-Sb2Te3 allowed the production of high-quality Co/granular-Sb2Te3interfaces, with also the possibility to tune the magneto-structural properties of the Co layer through a proper substrate selection. In order to improve the structural properties of the Sb2Te3, specific thermal treatments were performed on the as deposited granular Sb2Te3, achieving highly oriented films with a nearly epitaxial fashion. The latter substrates were used to produce Au/Co/epitaxial-Sb2Te3 and Au/Co/Au/epitaxial-Sb2Te3 and the dynamic of the magnetization in these structures was investigated studying their FMR response. The FMR data for the Au/Co/Sb2Te3 samples were interpreted considering the presence of a dominant contribution attributed to the Two Magnon Scattering (TMS), likely due to the presence of an unwanted magnetic roughness at the Co/epitaxial-Sb2Te3 interface. The introduction of a Au interlayer to avoid the direct contact between Co and Sb2Te3 layers was shown to be beneficial for the total suppression of the TMS effect. SP-FMR measurements were conducted on the optimized Au/Co/Au/epitaxial-Sb2Te3 structure, highlighting the role played by the epitaxial Sb2Te3substrate in the SP process. The SP signals for the Au/Co/Au/Si(111) and Co/Au/Si(111) reference samples were measured and used to determine the effective spin-to-charge conversion efficiency achieved with the introduction of the epitaxial Sb2Te3 layer. The extracted SCC efficiency was calculated interpreting the SP-FMR data using the Inverse Edelstein effect and Inverse Spin-Hall effect models, which demonstrated that the Sb2Te3 3D-TI is a promising candidate to be employed in the next generation of spintronic devices.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq In this work, it was realize a ferromagnetic resonance insvestigation in Co20Fe60B20 thin films with diferent thickness between 100 - 2000 nm. The hysteresis curves were obtained with a vibrating sample magnetometer. The samples with thickness between 100 - 300 nm present a weak in plane anisotropy, while the samples with thickness between 800 - 2000 nm are nearly isotropic. The ferromagnetic resonance measurments were performed with a vectorial network analizer and a microstrip line. The impedance of the microstrip charged with the samples were measured from 0,5 up to 5,0 GHz, with an external magnetic field (± 350 ) applied paralely to the sample plane. The resonance frequencies and the line widths were obtained fitting a Lorentzian line shape to the ΔR vs. H experimental curves. The Kittel relation was used to fitting the fr vs. H curves. The anistropy fields values in the fits are in good agreement with those obtained from hysteresis curves (Hk < 50 Oe). The saturation magnetization values are accordingly the literature too. The Gilber damping coefficients were obtained making linear fittings in the ΔH vs. f curves. The thinnest samples present very low damping values (2,5 × 10-3 - 5,0 × 10-3), while in the thickest films (800 and 1600 nm) the values are bigger (12,4 × 10-3 and 18,8 × 10-3). The results shown that is possible to obtain low Gilbert damping thin films without involve any pos-deposition process. The low damping and easy deposition process make this material extremely useful to experiments and applications involving spin waves propagation and spin current injection by FMR. Nesse trabalho, foi realizado um estudo da ressonância ferromagnética em filmes finos de Co20Fe60B20 com diferentes espessuras, entre 100 e 2000 nm. As curvas de histerese foram obtidas via magnetometria de amostra vibrante e campo alternado. As amostras com espessuras entre 100 - 300 nm, apresentam uma anisotropia no plano, enquanto as amostras com espessuras entre 800 - 2000 nm são aproximadamente isotrópicas. As medidas de FMR foram obtidas com um analisador de rede vetorial e uma guia de onda do tipo microstripline. As componentes real e imaginária da impedância da guia, carregada com a amostra, foram medidas em frequências entre 0,5 - 5,0 GHz, com o campo magnético externo (± 350 ) paralelo ao plano dos filmes. As frequência de ressoância e as larguras de linha a meia altura foram obtidas ajustando as curvas de ΔR vs. H com a equação de uma curva Lorentziana simétrica. A dependência da frequência de ressonância com o campo externo aplicado foi ajustada com a relação de Kittel. Os valores obtidos para os campos de anisotropia estão de acordo com os valores extraídos das curvas de histerese, abaixo de 50 Oe. Os valores da magnetização de saturação, entre 1,27 e 1,40×106A/m, são próximo aos valores encontrados na literatura. O coeficiente de amortecimento de Gilbert foi obtido de ajustes lineares das curvas de ΔH vs. f. As amostras mais finas exibem valores baixos de amortecimento, entre 2,5 × 10-3 e 5,0 × 10-3. O coeficiente é consideravelmente maior para as amostras de 800 nm (12,4 × 10-3) e 1600 nm (18,8 × 10-3). Os resultados obtidos mostram que é possível obter filmes finos de Co20Fe60B20 com constante de amortecimento de Gilbert muito baixa sem nenhum tipo de tratamento pós deposição. Os valores baixos da constante de amortecimento e a facilidade de produção tornam esse material extremamente adequado para experimentos/aplicações envolvendo propagação de ondas de spin e injeção de correntes de spin por FMR.

O controle da dinâmica de paredes de domínio em nanoestruturas magnéticas constitui um tópico de suma importância para o desenvolvimento de dispositivos como a racetrack memory, cujas estruturas de armazenamento de informação são modos coletivos da magnetização, tais como skyrmions, vórtices e paredes de domínio. Tendo isso em vista, esse trabalho descreve como os movimentos de rotação e de translação de uma parede de domínio presente em uma nanofita magnética de permalloy, sujeita a uma corrente elétrica spin-polarizada e a um campo magnético, são influenciados pela curvatura do sistema e pelas dimensões de sua seção transversal. Verifica-se que a existência de curvatura induz um torque sobre a parede de domínio, advindo da interação de troca. Semelhantemente, ajustando as dimensões da seção transversal da nanofita, é possível produzir um torque adicional, oriundo da interação dipolar, capaz de afetar significativamente a velocidade da parede de domínio, podendo suplantar os efeitos produzidos pela interação de troca, os quais se encontram acoplados à curvatura. Nesse contexto, a ruptura de Walker apresenta-se como um fenômeno notável, caracterizado pela transição da dinâmica da parede de domínio de um regime estacionário para um regime oscilatório. Apresenta-se aqui a emergência de uma dupla ruptura de Walker, bem como formas de controlar esse fenômeno variando os parâmetros geométricos das nanofitas. Palavras-chave: Nanomagnetismo. Spintrônica. Ruptura de Walker. Parede de domínio. The control of the dynamics of domain walls in nanostructures is a topic of great relevance for the development of devices such as racetrack memory, whose information storage structures are collective modes of magnetization, such as skyrmions, vortices and domain walls. With this in mind, this work describes how the rotational and translational displacements of a domain wall present in a magnetic permalloy nanostrip, subjected to a spin-polarized electric current and a magnetic field, are influenced by the curvature of the system and by the dimensions of its cross section. This work demonstrates that the existence of curvature induces a torque on the domain wall, arising from the exchange interaction. Similarly, by adjusting the dimensions of the cross section of the nanostrips, it is possible to produce an extra torque, derived from the dipolar interaction,which significantly affects the velocity of the domain wall, being able to overcome the effects produced by the exchange interaction, which are coupled to the curvature. In this context, the Walker breakdown consists of a remarkable phenomenon, characterized by the transition of the dynamics of the domain wall from a stationary regime to an oscillatory regime. The emergence of a double Walker breakdown is presented here, as well as ways to control this phenomenon by varying the geometric parameters of the nanostrips. Keywords: Nanomagnetism. Spintronics. Walker breakdown. Domain wall.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Este trabalho busca aprofundar os conhecimentos sobre estados eletrônicos de superfícies (111) em metais nobres como Au e Cu3Au utilizando, principalmente, a técnica de ARPES (Espectroscopia de Fotoelétrons Resolvida em Ângulo) que permite obter diretamente a dispersão Energia versus Momento para os estados próximos ao nível de Fermi. Além do ARPES, utilizou-se o XPS (Espectroscopia de Fotoelétrons excitados por Raios-X) para averiguar a limpeza e composição química das amostras e o LEED (Difração de Elétrons de Baixa Energia) para verificar o padrão de simetria da superfície da amostra. Na amostra de Cu3Au obteve-se um interessante resultado após processos de aquecimento, resultando na formação de uma superfície ordenada envolvendo Cobre, Ouro e também Enxofre. A dispersão do seu estado de superfície foi medido revelando resultados aparentemente inéditos e importantes, podendo até mesmo ter aplicações tecnológicas. Os experimentos foram feitos em amostras que passam por ciclos de limpeza via sputtering e annealing, e realizados em UHV (Ultra Alto Vácuo), à uma pressão base de 1x10^{-10}Torr. A famosa dispersão parabólica com resolução suficiente para visualizar o desdobramento devido ao spin para o Ouro foi obtida, o que provou a ótima calibração do equipamento ARPES. Os parâmetros como massa efetiva e coeficiente Rashba obtidos estão de acordo com a literatura. Também foi obtida uma dispersão parabólica para a fase chamada ``desordenada'' do Cu3Au limpo. Os estados de superfície parabólicos na face (111) de metais nobres têm sido tradicionalmente descritos pelo modelo de Shockley na maior parte da literatura, porém, eles também têm sido relacionados aos estados topológicos, descobertos mais recentemente. Essa questão conceitual é abordada neste trabalho visando trazer clareza para uma melhor descrição dos estados de superfície. A liga formada sobre o Cu3Au contendo Enxofre (com estrutura \sqrt{7}x\sqrt{7})R19.1^{o}-S de acordo com o LEED e a literatura) levou a uma dispersão linear, com ponto de cruzamento, o que é muito comum nos chamados Isolantes Topológicos. Esse resultado trás um acréscimo ao conhecimento científico, pois não se conhecia um estudo ARPES desse sulfeto sobre Cu3Au, nem mesmo sobre Cu(111). O padrão LEED obtido é muito semelhante ao mostrado em literaturas para Sulfeto sobre Cu(111). Unindo isso com o cálculo de concentrações realizado a partir do XPS da amostra de Cu3Au, percebeu-se que a amostra demonstrou ter muito mais cobre do que o nominal. Logo, entender melhor a natureza física dos estados de superfície e ainda aprofundar os estudos nesse resultado inédito da dispersão com ponto de cruzamento para o sulfeto sobre Cu3Au pode ser bastante relevante para avanços tecnológicos e novos materiais. This work seeks to deepen the knowledge about electronic states of surfaces (111) in noble metals such as Au and Cu3Au using, mainly, the ARPES technique (Angle-Resolved Photoelectron Spectroscopy) that allows to obtain the Energy versus Momentum dispersion for states close to the Fermi level directly. In addition to ARPES, XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) was used to investigate the cleanliness and chemical composition of the samples and LEED (Low Energy Electron Diffraction) to verify the symmetry pattern of the sample surface. On Cu3Au sample, an interesting result was obtained after heating processes, resulting in the formation of an ordered surface involving Copper, Gold and also Sulfur. Its surface state was also measured, revealing unprecedented and relevant results, and it may even have technological applications. The experiments were performed on samples that undergo cleaning cycles via sputtering and annealing, and carried out in UHV (Ultra High Vacuum), at a base pressure of 1x10^{-10}Torr. The famous parabolic dispersion with resolution for the spin-split was observed for Gold, which proved the excellent calibration of the ARPES equipment. The parameters such as effective mass and Rashba coefficient obtained match with the literature. The parabolic dispersion was also obtained for the called ``disordered'' phase of Cu3Au clean. The parabolic surface states on the face (111) of noble metals have traditionally been described by the Shockley model in most of the literature, but they also have been related to the more recently discovered topological states. This conceptual issue is addressed in this work in order to bring clarity to a better description of the surface states. The alloy formed on Cu3Au containing sulfur (with structure (\sqrt{7}x\sqrt{7})R19.1^{o}-S according to LEED and the literature) led to a linear dispersion, with a crossing point, which is very common in so-called Topological Insulators. This result brings an addition to scientific knowledge, as no ARPES study of this sulfide on Cu3Au was known, not even on Cu(111). The LEED pattern obtained is very similar to that shown in the literature for Sulfide over Cu(111). Combining this with the calculation of concentrations obtained by XPS of the Cu3Au sample, it was noticed that the sample has much more copper than the nominal. Therefore, for better understanding of the physical nature of the surface states and further deepening of the studies on this unprecedented result of the dispersion with crossing point for the sulfide over Cu3Au can be quite relevant for technological advances and new materials.

Neste trabalho desenvolvemos um modelo quântico utilizando Hamiltonianas não-Hermitianas para estudar a dissipação de ondas de spin em sistemas magnéticos que são descritos por esta- dos coerentes. Mais especificamente, estudamos como a adição de um termo não-Hermitiano à Hamiltoniana de um ferromagneto imerso em campos magnéticos pode explicar a dissipação de ondas de spin. O trabalho ocorre no contexto da ressonânica ferromagnética onde surgem naturalmente estados coerentes de mágnons. Nos propusemos também a estudar a termo- dinâmica deste modelo. Esta estratégia difere da estratégia comum na literatura que consiste em descrever ondas de spin utilizando modelos semi-clássicos, pois a estratégia de utilização de termos não-Hermitianos é puramente quântica. As metodologias de cálculo desenvolvidas nesse trabalho, utilizando os formalismos de termos não-Hermitianos aliados ao quadro de interação, são inéditas e podem ser generalizados para descrições de outros sistemas que se beneficiariam em serem descritos pelo mesmo formalismo. Palavras-chave: Spintrônica. Relaxação de Spin. Ferromagnetismo. In this work we developed a quantum model using non-Hermitian Hamiltonians to study dissipa- tion of spin waves in magnetic models that are described by coherent states. More specifically, we study how the addition of a non-Hermitian term in the Hamiltonian which describes a ferromagnet in the presence of magnetic fields could explain dissipation of spin waves. The work is based on the context of ferromagnetic resonance where coherent states arise naturally. We have also studied the thermodynamics of this model. This strategy differs from the usual strategy in the literature in which dissipation of spin waves is described through semi-classical models, because the strategy of using non-Hermitian terms is based purely on a quantum description. The analytical methods developed in this work, using non-Hermitian terms and the interaction picture, can be generalized to other systems that would benefit from using the same formalism. Keywords: Spintronics. Spin Relaxation. Ferromagnetism.

FACEPE Em 2017, Alves-Santos et al.(1) descobriram que ao fabricar filmes finos de platina com nanopartículas de prata diluídas no meio, era possível manipular a eficiência do processo de conversão de correntes de spin em carga, por meio de uma combinação dos efeitos Spin Hall Inverso (ISHE) e Rashba-Edelstein Inverso (IREE), ao variar a quantidade de nanopartículas de prata. Apesar de seus resultados mostrarem um avanço na área, a fabricação de nanopartículas por sputtering não é algo fácil de se conseguir. Nessa dissertação é feito uma continuação do trabalho de Alves-Santos et al. As nanopartículas de prata são feitas de maneira controlada por meio da técnica de litografia óptica e a investigação do processo de conversão de correntes é feito pelo processo de bombeamento de spins. A partir dos resultados obtidos, foi possível concluir que o efeito visto por Alves-Santos et al. é real e que as interfaces podem ser fabricadas de maneira sistemática, também foi verificado que, por causa das nanopartículas de prata, há um aumento da corrente IISHEAg de aproximadamente 6 vezes em comparação com a amostra de referência quando se tem cerca de 80.000 partículas com 3 nm de espessura de Ag. Além disso, fazendo uso do filme de platina com nanopartículas de prata, foi fabricada uma barra Hall onde foram litografadas elipses micrométricas de uma liga ferromagnética de Ni81Fe19 conhecida como Permalloy (Py). Nesse sistema, ao injetar uma corrente de carga DC observou-se que é possível gerar sinais em frequência de até 10 GHz. Também foi possível observar que ao usar correntes de carga AC com baixa frequência (10 Hz) sinais em frequências acima de 10 GHz são gerados. In 2017, Alves-Santos et al. (1) found that by manufacturing a platinum thin film with silver nanoparticles diluted in the middle, it was possible to manipulate the efficiency of the spin to charge convertion process, a combination of the Inverse Spin Hall (ISHE) and Rashba-Edelstein Inverse (IREE) effects, by varying the amount of silver nanoparticles. Although its results show an advance in the area, the manufacture of nanoparticles by sputtering is not an easy thing to achieve. This dissertation is a continuation of the work of Alves-Santos et al. The silver nanoparticles were made in a controlled manner using the optical lithography technique and the investigation of the current conversion process is done by the spins pumping process. From the results obtained, it was possible to conclude that the effect seen by Alves-Santos et al. was real and the interfaces can be manufactured in a systematic manner, it was also verified that, because of the silver nanoparticles, there is an increase of the current IISHEAg of approximately 6 times in comparison with the reference sample when the sample has around 80,000 nanoparticles with 3nm Ag. In addition, using the platinum with silver nanoparticles film, a Hall bar was manufactured in which micrometric ellipses of a ferromagnetic alloy of N i81F e19 called Permalloy (Py) were lithographed. In this system, a DC current was injected and it was observed that it is possible to generate signals in frequencies up to 10 GHz. It was also possible to observe that when using AC currents with low frequency (10 Hz) signals in frequencies above 10 GHz were generated.

Nesse trabalho investigamos a injeção de corrente de spin na interface entre um isolante ferromagnético (FMI) e um supercondutor (SC) através da teoria de resposta linear. Uma vez que elétrons não podem penetrar no isolante ferromagnético (FMI), não há corrente elétrica na interface. No entanto, os elétrons do supercondutor invertem seu spin ao interagirem com os elétrons localizados do ferromagneto. Assumindo um desbalanço δµ = µ ↑ − µ ↓ entre os potenciais quı́micos dos elétrons de spin up e down no supercondutor, os elétrons do estado de spin mais populado são refletidos na interface com maior frequência, resultando na transmissão de corrente de spin via emissão/absorção de mágnons no ferromagneto. Ao fazer uso do formalismo de Schwinger para descrever o ferromagneto, estudamos a influência da transição de fase paramagnética na corrente de spin, assim como também estudamos a transição de fase supercondutora. Mostramos e discutimos resultados interessantes na fase paramagnética em que encontramos picos de coerência na corrente de spin mesmo quando as excitações magnéticas são térmicas, não se fazendo necessário a existência de mágnons coerentes gerados pela aplicação de campo magnético oscilante. Palavras-chave: Spintrônica. Supercondutividade. Ferromagnetismo. We used the Linear Response Theory to determine the injection of spin current at the interface between a ferromagnetic insulator (FMI) and a superconductor (SC). Since electrons can not penetrate in the FMI, there is no electric current across the interface. However, a spin- flip scattering allows to quasi-particles to exchange spin with localized electrons in the FMI. Assuming an imbalance δµ = µ ↑ − µ ↓ between the up and down-spin chemical potential in the SC, electrons in the most populated state flip their spin at the interface with higher probability than the least populated while magnons are absorbed or emitted at the interface. Within the Schwinger representation for the ferromagnet, we are able to study the paramagnet phase transition influence on the spin current, as well as the superconductor phase transition. We discuss interesting results in the paramagnet phase that show coherence factors peaks in the spin current due to superconductivity even when magnetic excitations are provided only by thermal fluctuations. It is worth to note that the oscillating magnetic field usually applied to produce coherent magnons is not needed in our proposal. Keywords: Spintronics. Superconductivity. Ferromagnetism.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais O efeito Hall quântico de spin (QSHE, do ingles quantum spin Hall effect) é uma fase quântica da matéria em que o material bidimensional apresenta estados condutores na borda enquanto que permanece isolante em seu interior. Esta fase apresenta condutân- cia perfeita e quantizada mesmo em presença de impurezas não magnéticas ou defeitos geométricos que possam surgir num material semicondutor. Sua estrutura de bandas ele- trônica é representada por um cone de Dirac que representa aos estados de bordas do material. Em geral, a fase de QSHE ocorre nos isolante topológicos bidimensionais como consequência da correspondência bulk-fronteira. Em particular, aqui iremos considerar o isolante topológico HgTe-CdTe, descrito pelo Hamiltoniano BHZ. Para entender estes materiais e estudar suas propriedades eletrônicas, primeiro estudamos hamiltoniano tipo Dirac e conceitos de transporte relacionados ao formalismo de Landauer. Depois, imple- mentamos este hamiltoniano numericamente e exploramos suas propriedades eletrônicas simulando um sistema bidimensional com constrição geométrica. Durante esta etapa, consideramos um potencial de impureza no interior desta constrição e investigamos a dinâmica da densidade da corrente de spin. Para os parâmetros escolhidos para a constrição, induzimos os autoestados das bordas superior e inferior se hibridizarem. Como consequência, observamos abertura de um gap na relação de dispersão e o surgimento de ressonâncias de Fabry-Pérot no interior desta constrição (efeito semelhante aos harmônicos de uma corda de violão). Descobrimos que este fenômeno está relacionado com a criação de um número inteiro de vórtices dentro desta região de constrição. Nossos resultados nos permitem afirmar que este número está diretamente relacionados ao número de picos encontrados no gráfico de condutância. Em outras palavras, quando a energia corresponde ao primeiro pico de ressonância, obser- vamos apenas um vórtice sendo criado. Quando aumentamos a energia para o segundo pico, observamos dois vórtices, e assim por diante. Notamos também, que para um nú- mero par de vórtices a densidade de corrente é aproximadamente nula na região central. Consequentemente, surge um nó nesta região. A fim de explorar esta característica e de investigar o fenômeno de Fabry-Pérot, estudamos a dinâmica da corrente de spin na pre- sença de alguma impureza escalar ou magnética. (Aqui, consideramos a impureza como um potencial externo ou um contacto magnético colocado na região de constrição). Des- cobrimos que colocando a impureza no nó, apenas os números ímpares desses vórtices são afetados. The QSHE is a quantum phase of matter defined by a pair of opposite spin currents in each edge of two-dimensional material known as helical edge states. More specifically, these pairs are Kramer states created by the time-reversal invariance and are very robust against non-magnetic impurities and lattice defects that may appear, which leads to a system to avoid backscattering phenomena. Its electronic band structure is represented by a closed Dirac-cone, which defines a metallic phase for each conducting channel at the boundaries. It is known the QSHE occurs in bidimensional topological insulators due to the bulk-edge correspondence. In particular, here we consider the topological insulator HgTe-CdTe which is described by the topological band theory through the BHZ Hamiltonian. To understand and study these materials and its electronic properties, we study Dirac-like Hamiltonians and transport concepts related to Landauer’s formalism. Additionally, we implement the BHZ Hamiltonian numerically and explore the electronic properties of a two-dimensional topological insulator with geometric constrictions. At that point, we consider an impurity potential inside that constriction region and investigate the dynamics of the spin current density. For the chosen parameters, the geometrical constriction drives to the opposite eigenstate of spins edge channels to hybridize among each other. Consequently, the Dirac energy spectrum opens a gap in the constriction region, and Fabry-Pérot resonances emerge. We observed this phenomenon is related to the creation of an integer number of the vortex within this constriction region, and our results allow us to state that these numbers are directly related to the number of resonance peaks found in the conductance. In other words, when the energy eigenvalues correspond to the first peak, we observe only one vortex being created. When we increase the energy for the second peak, we observe two vortexes, and so on. We have noticed that for an even number of vortexes, the spin current density creates a node in the central region inside this constriction. In order to investigate the dynamics of the spin current and its relations to the Fabry-Pérot phenomenon, we consider a scalar and magnetic impurity (an external lead or a magnetic contact) inside this node. We have found that placing the impurity in this node, only the odd numbers of these vortexes are affected. Dissertação (Mestrado)

Orientadores: Márcio Medeiros Soares, Marcos César de Oliveira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: A spintrônica é uma área de pesquisa na qual o spin eletrônico é utilizado como o grau de liberdade para o transporte, processamento e armazenamento de informações. Recentemente, muitos estudos focados na utilização de filmes finos antiferromagnéticos (AFM) como camadas ativas em dispositivos spintrônicos vêm sendo desenvolvidos. Embora os materiais AFM apresentem várias propriedades interessantes, tais como robustez contra perturbações por campos magnéticos e dinâmica de spins ultrarrápida, a manipulação dos momentos magnéticos nesses materiais é desafiadora. Uma abordagem que busca superar isso é a aplicação de deformações estruturais controladas na estrutura cristalina desses filmes finos. Essas deformações promovem alterações na anisotropia magnetocristalina desses materiais, que levam à mudança da orientação do eixo dos spins. Portanto, o objetivo desse trabalho de mestrado é a possibilidade de manipular a orientação de spins em filmes finos antiferromagnéticos de Óxido de Cobalto (CoO) a partir da aplicação de deformações macroscópicas. Com esse propósito, filmes finos policristalinos de CoO foram depositados sobre substratos cruciformes flexíveis de Kapton utilizando a técnica de Magnetron Sputtering. Para realizar deformações extensivas e compressivas nesses filmes, nós desenvolvemos um instrumento de aplicação de tensão biaxial: o 2D-MASI (Bi-axial Multi Analysis Strain Instrument). Esse dispositivo é compatível com diversas técnicas de luz síncrotron (e.g. Difração de raios-X e Espectroscopia de Absorção de raios-X) e ambientes de amostra (e.g. baixas temperaturas e alto vácuo). A deformação da estrutura cristalina da amostra foi caracterizada através de medidas in-situ de Análise de Tensão por Raios-X (do inglês XSA). Utilizando essa técnica, nós observamos que, ao aplicar uma deformação biaxial extensiva no plano da amostra, houve um aumento nas distâncias interplanares (dhkl) ao longo do plano, simultaneamente a uma contração fora do plano. Além disso, durante experimentos de contração do filme ao longo de uma direção, nós observamos o comportamento contrário: contração no plano e extensão fora do plano. Finalmente, com o objetivo de conectar os resultados obtidos através de XSA com o comportamento magnético da amostra, nós realizamos experimentos de dicroísmo linear magnético de raios-X (XMLD). Durante esses experimentos, nós adquirimos diversos espectros de absorção para os diferentes estados de deformação da amostra. Analisando as variações de intensidade dos picos desses espectros com a deformação mecânica, pudemos concluir que as alterações estruturais de fato promoveram mudanças de orientação no eixo magnético da amostra. Mais especificamente, a análise das medidas de XMLD a baixa temperatura sugere uma tendência de orientação dos spins do CoO paralela à direção em que o filme se encontra mais contraído Abstract: Spintronics is the research branch that uses the electron spin as the degree of freedom for transporting, processing, and storing information. In recent years, many studies have been focusing on applying antiferromagnetic (AFM) thin films as active layers for spintronic devices. Although AFM materials present many interesting properties, such as robustness against magnetic fields perturbations and ultrafast spin dynamics, the magnetic moment manipulation in such materials is very challenging. One approach to overcome that is through the application of controlled structural deformations to the film crystalline structure, which promote alterations to its magnetocrystalline anisotropy energy. Therefore, the goal of this Master's work is to study the possibility of manipulating the spin orientation in AFM Cobalt Oxide (CoO) thin films through the application of a controlled macroscopic strain. For this purpose, polycrystalline CoO thin films were deposited onto flexible cruciform Kapton substrates using reactive Magnetron Sputtering. To controllably perform in-plane extensive and compressive bi-axial deformations to such films, we developed a Bi-axial Multi Analysis Strain Instrument (2D-MASI). A device compatible with multiple synchrotron radiation techniques (e.g. X-ray Diffraction and X-ray Absorption Spectroscopy) and sample environments (e.g. low temperatures and high vacuum). The sample crystalline structure deformation was characterized by in-situ X-ray Stress Analysis (XSA) measurements. As a result, while performing an in-plane bi-axial extension, we observed an increase of the in-plane Bragg distances (dhkl) along with a decrease of the out-of-plane dhkl values. Moreover, by performing in-plane contraction experiments along a single direction, we observed an opposite behavior than the described above (interplanar distances' in-plane contraction and out-of-plane extension). Finally, to connect the results obtained by XSA with the sample magnetic behavior, we performed X-ray Magnetic Linear Dichroism (XMLD) experiments. During these measurements, we acquired multiple absorption spectra for different strain states. By analyzing the intensity changes within the spectrum peaks, we deduced that the sample mechanical deformation was indeed causing the film's spin axis to tilt. More specifically, the analysis of the XMLD data acquired at low temperatures suggests a tendency of spin axis orientation parallel to the film direction which is contracted the most Mestrado Física Aplicada Mestra em Física CAPES 1765877/2018 FAPESP 2018/12926-9

In thin magnetic films with perpendicular magnetic anisotropy, a periodic “up-down” stripe-domain structure can be originated at remanence, on a mesoscopic scale (~100 nm) comparable with film thickness, by the competition between short-range exchange coupling and long-range dipolar interaction. However, translational order is perturbed because magnetic edge dislocations are spontaneously nucleated. Such topological defects play an important role in magnetic films since they promote the in-plane magnetization reversal of stripes and, in superconductor/ferromagnet hybrids, the creation of superconducting vortex clusters. Combining magnetic force microscopy experiments and micromagnetic simulations, we investigated the motion of two classes of magnetic edge dislocations, randomly distributed in an $${{\rm{N}}}_{2}^{+}$$ N 2 + -implanted Fe film. They were found to move in opposite directions along straight trajectories parallel to the stripes axis, when driven by a moderate dc magnetic field. Using the approximate Thiele equation, analytical expressions for the forces acting on such magnetic defects and a microscopic explanation for the direction of their motion could be obtained. Straight trajectories are related to the presence of a periodic stripe domain pattern, which imposes the gyrotropic force to vanish even if a nonzero, half-integer topological charge is carried by the defects in some layers across the film thickness.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) This work was dedicated to the theoretical study of semiconductor nanostructures aimed at the implementation of spin dependent electronic transport. The objective was to study the electron transport properties considering the Rashba spin-orbit interaction located in a certain spatial region. Different configurations were considered for the intensity of the Rashba interaction, external potential and external magnetic field applied to the nanowire. In this way, we understand the modulation of spin transport when it is projected in the z-direction through the combination of spin-orbit interaction and system dimensionalities. In particular, we find a semi-analytical solution capable of determining spin dependent transport properties. This semi-analytic solution was applied to the electronic transport in a nanowire, considering a strictly one-dimensional model and a quasi one-dimensional model employing the effective mass approximation (k-p method). In this case, the electrons confined in a nanowire cross a region where the spin-orbit coupling is present, which will modify its transmission. Under certain conditions, the interaction of Rashba causes a suppression of the transmission for certain energies of the incident electrons. Such suppression can be understood as being the effect of coupling a bound state with the states of the continuum. These results open a new perspective for the understanding of experimental results of electronic transport in nanowires. Esse trabalho foi dedicado ao estudo teórico de nanoestruturas semicondutoras visando a implementação do transporte eletrônico dependente de spin. O objetivo foi estudar as propriedades de transporte de elétrons considerando a interação de spin-órbita de Rashba localizada em certa região espacial. Foram consideradas diferentes configurações para a intensidade da interação de Rashba, potencial externo e campo magnético externo aplicado ao nanofio. Desse modo, compreendemos a modulação do transporte de spin quando esse é projetado na direção-z através da combinação da interação spin-órbita e das dimensionalidades do sistema. Em particular, encontramos uma solução semi analítica capaz de determinar as propriedades de transporte dependente de spin. Essa semi analítica solução foi aplicada ao transporte eletrônico em um nanofio, considerando um modelo estritamente unidimensional e um modelo quase unidimensional usando a aproximação de massa efetiva (método k-p). Neste caso, os elétrons confinados no um nanofio atravessam uma região onde o acoplamento spin-órbita está presente, o qual modificará sua transmissão. Em certas condições, a interação de Rashba causa uma supressão da transmissão para certas energias dos elétrons incidentes. Essa supressão pode ser compreendida através como sendo efeito do acoplamento de um estado ligado com os estados do contínuo. Esses resultados abrem uma nova perspectiva para o entendimento de resultados experimentais de transporte eletrônico em nanofios. CAPES: Código de Financiamento 001

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Estruturas do tipo ferromagneto(FM1)/supercondutor(SC) /ferromagneto(FM2) tem sido foco de muitas pesquisas uma vez que a temperatura de transição do supercondutor pode ser contro- ladas através da orientação paralela (P) e anti-paralela (AP) da magnetização entre as camadas FM1 e FM2, em uma pseudo válvula de spin supercondutora (SSVs). A correta manipulação destas válvulas de spin a temperaturas próximas da crítica possibilita um controle entre o estado normal e o estado supercondutor da camada supercondutora através de campos magnéticos de baixa intensidade, levando estes dispositivos a chamada magnetorresistência infinita. Na pri- meira parte deste trabalho investigamos estruturas de tri-camadas GdN/NbN/GdN crescidas por sputtering reativo com diferentes espessuras do espaçador NbN (dw»n). As amostras foram submetidas a medidas de susceptibilidade AC para identificar os campos coercivos das cama- das FM1 e FM2, e para verificar a existência de acoplamento ferromagnético entre as camadas de GdN quando NbN se encontra no estado supercondutor. Também foram realizadas medi- das de magnetorresistência das amostras em baixas temperaturas para o controle da resistência da junção e da temperatura de transição (T.) quando submetida a campos magnéticos. Na segunda parte deste trabalho, investigamos a mobilidade e emergência da população de car- gas magnéticas em função da distância lateral dy e longitudinal d, entre os nanomagnetos de Nio,sf'eo,2 em cinco redes lineares de diferentes espaçamentos. A configuração ferromagnética ou antiferromagnética das nanoilhas, ao longo das diferentes redes, pode ser utilizada no controle de propriedades supercondutoras, de modo que a combinação entre nanomagnetos e supercon- dutividade pode dar origem a novos dispositivos de memória criogênica baseados em efeitos de proximidade. Os resultados observados também podem ser aplicados no design de dispositi- vos lógicos nanomagnéticos e possibilitam o entendimento sobre a mobilidade unidirecional das cargas magnéticas para aplicações em dispositivos spintrônicos e em magnetricidade. Structures like ferromagnetic (FM1)/superconductor (SC)/ ferromagnetic (FM2) has been in- tensively studied in recent years since the superconducting transition temperature can be con- trolled by the parallel (P) and anti-parallel (AP) magnetization of the FM1 and FM2 layers in a pseudo superconducting spin valve (SSVs). The correct manipulation of these spin valves at temperatures close to the critical makes possible a control between the normal state and the superconducting state of the superconducting layer through magnetic fields of low intensity, taking these devices the so-called infinite magnetoresistance. In the first part of this work we investigated GdN / NbN / GdN tri-layer structures grown by reactive sputtering with different thicknesses of the NbN (dwbn) spacer. The samples were submitted to AC susceptibility mea- surements to identify the coercive fields of the FM1 and FM2 layers, and to verify ferromagnetic coupling between the GdN layers when NbN is in the superconducting state. Also, magnetoresis- tance measurements of the samples at low temperatures were performed to control the junction resistance and transition temperature (Tc). In the second part of this work, we investigated the mobility and emergence of the magnetic charge population as a function of the lateral d, and longitudinal d, distance between Nio sf'eo2 nanomagnets in five linear networks with different spacing. The ferromagnetic or antiferromagnetic configuration of nanoislands along the networks can be used to control superconducting properties, so that the combination of nanomagnets and superconductivity may give rise to new cryogenic memory devices based on proximity effects. The observed results can also be applied in designs of nanomagnetic logic devices and allow the understanding of the unidirectional mobility of magnetic charges for spintronic and magnetricity applications.

Submitted by Angela Maria de Oliveira (amolivei@uepg.br) on 2019-03-14T19:25:14Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Renan Augusto Pontes Ribeiro.pdf: 9570923 bytes, checksum: a291ba63c045a11cb0a642a480367e27 (MD5) Made available in DSpace on 2019-03-14T19:25:14Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Renan Augusto Pontes Ribeiro.pdf: 9570923 bytes, checksum: a291ba63c045a11cb0a642a480367e27 (MD5) Previous issue date: 2019-02-26 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O desenvolvimento da spintrônica tem motivado a busca por novos materiais multiferróicos devido à multifuncionalidade desses compostos associada ao acoplamento entre diferentes ordens ferróicas em uma estrutura cristalina. No presente estudo, propomos a investigação teórica, baseada na Teoria do Funcional de Densidade, dos materiais ATiO3 (A = Mn, Fe, Ni) na estrutura R3c com objetivo de esclarecer o efeito da substituição do cátion A sobre as propriedades estruturais, magnéticas e eletrônicas, bem como descrever diferentes mecanismos de controle das propriedades multiferróicas baseados em arquiteturas de filmes-finos, morfologia e controle de defeitos intrínsecos. Para uma maior compreensão dos efeitos envolvidos nos materiais ATiO3, diferentes funcionais de troca e correlação foram investigados e o funcional PBE0 apresentou os menores desvios, consequentemente, a melhor representação comparado aos resultados experimentais. Com objetivo de investigar as propriedades conectadas a filmes-finos dos materiais ATiO3, propomos uma metodologia inovadora que permite descrever as deformações uni- e biaxial que se originam na região de interface entre o filme e o substrato. Nesse caso, os resultados obtidos indicam que as distorções estruturais induzem uma transição magnética para o NiTiO3, originando ordenamento ferromagnético a partir de um critério magneto-estrutural associado a deformação dos clusters [MO6] que reproduz satisfatoriamente os resultados experimentais reportados na literatura. De modo análogo, para elucidar a relação entre o magnetismo e a morfologia dos materiais ATiO3, combinamos cálculos de Energia de Superfície, Construção de Wulff e um formalismo avançado para descrever o magnetismo superficial considerando a existência de spins não compensados ao longo dos planos polares (100), (001), (101), (012), (111) e apolares (110). Os resultados indicam que a redução do número de coordenação dos metais A e Ti para os planos (001) e (111) resulta na transferência de carga entre os cátions A2+ e Ti4+, originando espécies Ti3+ magnéticas que aumentam o magnetismo superficial ao longo desses planos. Além disso, esse efeito é capaz de induzir uma alteração do caráter eletrônico para esses materiais, permitindo indicar que a clivagem das superfícies contribui para o controle das propriedades eletrônicas, reduzindo o valor de band-gap ou gerando comportamento meio-metálico. Os mapas morfológicos obtidos indicam que o controle da exposição majoritária do plano (001) para obtenção de discos hexagonais induz um aumento do magnetismo superficial para os materiais ATiO3 em acordo com resultados experimentais, além de predizer diferentes morfologias acessíveis com interessantes propriedades magnéticas. Ademais, o efeito de defeitos intrínsecos como vacâncias de oxigênio no bulk e superfície apolar (110) dos materiais ATiO3 foi investigado indicando que a redução do número de coordenação na região do defeito induz que os elétrons remanescentes sejam localizados, principalmente, nos orbitais 3d vazios dos cátions Ti vizinhos, gerando espécies [TiO5]ꞌ e [TiO4]ꞌ (3d1 ) que possibilitam uma interação ferromagnética nos materiais MnTiO3 e FeTiO3. A combinação entre os diferentes mecanismos investigados permitiu estabelecer um guia científico para o estudo teórico de materiais multiferróicos, contribuindo para descrever as potencialidades dos diferentes materiais bem como predizer novos candidatos. The development of spintronic has motivated the search for new multiferroic materials due to the multifunctionality of these materials that are associated with the coupling of different ferroic orders into a single crystalline structure. In the present study, we propose a theoretical investigation, based on Density Functional Theory, of ATiO3 (A = Mn, Fe, Ni) materials in the R3c structure in order to clarify the effect of A-site cation replacement on the structural, magnetic and electronic properties, as well as to describe a different mechanism to control the multiferroic properties based on thin-film architectures, morphology and point defects. For a more comprehensive overview of the main effects involved on the ATiO3 materials several exchange-correlation functionals were investigated, being the PBE0 the functional with smallest deviations and, consequently, the best representation in comparison to the experimental results. Aiming to describe the main fingerprints related with the creation of ATiO3 thin-films, we propose an innovative methodology that allows to describe the uniaxial and biaxial deformations originated in the interface region between the film and the substrate. In this case, the results indicate that structural distortions induce a magnetic transition for the NiTiO3, originating ferromagnetic ordering from magneto-structural criteria, which is associated to the deformation of the [MO6] clusters that reproduces satisfactorily the experimental results reported in the literature. Similarly, in order to elucidate the relationship between the magnetism and the morphology of the ATiO3 materials, we combined Surface Energy, Wulff Construction, and an advanced formalism to describe surface magnetism by considering the existence of uncompensated spins along the polar planes (100), (001), (101), (012), (111) and non-polar (110). The results indicate that the reduction of the coordination for both A and Ti metals along the (001) and (111) planes induces a charge transfer between the A 2+ and Ti4+ cations, resulting in magnetic Ti3+ species that increase the superficial magnetism along such planes. Moreover, this effect allowed a change in the electronic structure for these materials, allowing to point out that the cleavage of the surfaces contribute to the control of the electronic properties reducing the band-gap value or generating half-metallic behavior. The morphological maps indicated that the control of the major exposure for the (001) surface to obtain hexagonal discsinduces an increase of the superficial magnetism for the ATiO3 materials according to experimental results, besides predicting different accessible morphologies with interesting magnetic properties. In addition, the effect of intrinsic defects such as oxygen vacancies on the bulk and non-polar (110) surface of the ATiO3 materials were investigated, indicating that the reduction of coordination in the defect region induces the localization of the remaining electrons in the empty 3d orbitals of neighboring Ti cations, generating [TiO5]'and [TiO4]' (3d1 ) species that allow a ferromagnetic interaction for MnTiO3 and FeTiO3 materials. The combination of the different mechanisms investigated has allowed to stablish a scientific guide for the theoretical study of multiferroic materials, contributing to describe the potentialities of the different materials as well as to predict new candidates.

Resumen En este trabajo se fabricaron películas delgadas nanoestructuradas de GaSb por el método de pulverización catódica asistidas por campo magnético sobre sustratos de vidrio e ITO. Se realizaron procesos de recocido posterior a la preparación y bajo condiciones de alto vacío que evitaran la incorporación de átomos de oxígeno presentes en la atmósfera. A partir de medidas de difracción de rayos X se pudo establecer una estructura tipo blenda de Zinc y fases de InO asociadas al sustrato ITO. Los procesos de recocido permitieron evidenciar una mejora significativa en la cristalinidad del material siendo éste menos amorfo cuando la temperatura de recocido (Tr) fue de 673 K. Un valor de la brecha de energía prohibida variando entre 0.75 y 0.85 eV fue obtenido en muestras de GaSb cuando la Tr cambió entre 300 K y 673 K, respectivamente. Medidas de microscopia electrónica de barrido y fuerza atómica permitieron obtener información de la morfología en la superficie del material. Abstract In this work, GaSb thin films were prepared by DC magnetron sputtering method using Soda Lime-type glass and ITO (Indium tin oxide), as substrates. Annealing processes were carried out under high vacuum conditions to avoid the incorporation of oxygen (O) atoms present in the atmosphere. From X-ray diffraction (XRD) measurements it was possible to establish a Zinc-blende type structure and InO phases associated to the ITO substrate. The annealing processes showed a significant improvement in the crystallinity of the material being less amorphous when the annealing temperature (Tr) was 673 K. A value of the gap energy ranging from 0.75 to 0.85 eV was obtained in samples of GaSb when the Tr changed between 300 K and 673 K, respectively. Scanning Electron Microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) measurements provided information on the surface morphology of the material. Resumo Neste trabalho, os filmes finos de GaSb foram preparados pelo método de pulverização catódica assistido por campo magnético em substratos de vidro e ITO (óxido de estanho de índio). Após os processos de recozimento foram realizados em condições de alto vácuo que evitam a incorporação de átomos de oxigênio (O) presentes na atmosfera. A partir de medições de difração de raios X (XRD), foi possível estabelecer uma estrutura semelhante ao Zenz Blende e as fases InO associadas ao substrato ITO. Os processos de recozimento mostraram uma melhoria significativa na cristalinidade do material sendo menos amorfa quando a temperatura de recozimento (Tr) foi de 673 K. Foi obtido um valor do intervalo de energia proibido variando de 0,75 a 0,85 eV em amostras de GaSb quando o Tr mudou entre 300 K e 673 K, respectivamente. As medições de microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia de força atômica (AFM) forneceram informações sobre a morfologia da superfície do material.

Topological states of matter have attracted a lot of attention due to their many intriguing transport properties. In particular, two-dimensional topological insulators (2D TI) possess gapless counter propagating conducting edge channels, with opposite spin, that are topologically protected from backscattering. Two basic features are supposed to confirm the existence of the ballistic edge channels in the submicrometer limit: the 4-terminal conductance is expected to be quantized at the universal value $2e^{2}/h$, and a nonlocal signal should appear due to a net current along the sample edge, carried by the helical states. On the other hand for longer channels the conductance has been found to deviate from the quantized value. This article reviewer the experimental and theoretical work related to the transport in two-dimensional topological insulators (2D-TI), based on HgTe quantum wells in zero magnetic field. We provide an overview of the basic mechanisms predicting a deviation from the quantized transport due to backscattering (accompanied by spin-flips) between the helical channels. We discuss the details of the model, which takes into account the edge and bulk contribution to the total current and reproduces the experimental results., Comment: 13 pages, 12 figures

Agradecimentos: This study was financed in part by the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior-Brasil (CAPES)-Finance Code 001, by the Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo-São Paulo, Brasil (FAPESP)-Project No. 2012/51198-2, and by the Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico-Brasil (CNPq). J.C.C., L.S.D., and F.B. acknowledge grants provided by CNPq: Project Nos. 309354/2015-3, 302950/2017-6, and 436573/2018-0, respectively. F.B. acknowledges grant by FAPESP: No. 2017/10581-1. The samples were grown at the Microfabrication Laboratory-Brazilian Nanotechnology National Laboratory (LNNano). The micromagnetic simulations were carried out at the high performance computing facilities of the Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS) under Project No. 20180577 Abstract: Magnetic multilayers presenting perpendicular magnetic anisotropy (PMA) have great potential for technological applications. On the path to develop further magnetic devices, one can adjust the physical properties of multilayered thin films by modifying their interfaces, thus determining the magnetic domain type, chirality, and size. Here, we demonstrate the tailoring of the domain pattern by tuning the perpendicular anisotropy, the saturation magnetization, and the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (iDMI) in Pd/Co/Pd multilayers with the insertion of an ultrathin tungsten layer at the top interface. The average domain size decreases around 60% when a 0.2 nm thick W layer is added to the Co/Pd interface. Magnetic force microscopy images and micromagnetic simulations were contrasted to elucidate the mechanisms that determine the domain textures and sizes. Our results indicate that both iDMI and PMA can be tuned by carefully changing the interfaces of originally symmetric multilayers, leading to magnetic domain patterns promising for high density magnetic memories CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Fechado

CNPq A spintrônica e a magnônica são áreas de desenvolvimento recente que se tornaram muito importantes na física da matéria condensada, em particular, no magnetismo. Um fenômeno que estudamos nesta tese foi o comportamento da precessão da magnetização de materiais magnéticos, quando excitada por micro-ondas na faixa de alguns GHz. Para isso montamos a técnica de ressonância ferromagnética de banda larga com linha de fita, de forma que pudemos fazer os mais diversos experimentos. Em particular pudemos variar a frequência em um intervalo considerável (1-10 GHz) dependendo do material. Estudamos também fenômenos envolvendo a conversão de corrente de spin em corrente de carga em bicamadas ferromagnética(FM)/metal normal(MN). A geração da corrente de spin se deu através de dois processos: a precessão da magnetização (spin pumping) ou com gradiente térmico (spin Seebeck). Como resultados mais importantes citamos as medidas de spin pumping e spin Seebeck feitas simultaneamente. Mostramos que os efei-tos se "somam" , além de evidenciarem que o amortecimento do material ferromagnético (FM) pode ser controlado pelo gradiente térmico. Outra demonstração importante desta tese foi mostrar que é difícil, mas possível separar o efeito spin Seebeck do efeito Nernst anômalo de um material ferromagnético metálico (FMM) usando uma estrutura do tipo FMM/AFI/MN, onde AFI se refere a um material antiferromagnético isolante que blo-queia a corrente de carga, mas permite o fluxo de corrente de spin. Para interpretar nossos dados construímos um modelo usando a equação de Boltzmann com base na função de distribuição de Fermi-Dirac e provamos que a teoria para descrever o comportamento em um material ferromagnético é similar a usada para descrever o comportamento dos mágnons em isolantes ferromagnéticos. Ressaltamos ainda que demonstramos de modo pioneiro com um experimento inovador que um material antiferromagnético produz uma corrente de spin que é detectável. Quando se estuda a física do estado sólido compreen-demos as diferentes propriedades que os materiais possuem. Uma dessas características é que partículas bosônicas (mágnons, fônons, fótons, etc) podem interagir. Um dos questi-onamentos que se faz sobre o comportamento dessas partículas é se elas carregam consigo momento angular de spin. Estudos com fônons geraram até o momento esse questiona-mento. Aqui demonstramos de forma pioneira usando a conversão mágnon-fônon que o fônon possui spin. Para isso realizamos experimentos de espalhamento de luz Brillouin que mostraram que a polarização do fônon convertido é circular. Para interpretar nos-sos dados construímos uma teoria quântica baseada na segunda quantização que explica muito bem nossos resultados. Spintronics and magnonics are areas of recent development that have become very important in the physics of condensed matter, in particular magnetism. A phenomenon that we studied in this thesis was the behavior of the precession of magnetization of mag-netic materials, when excited by microwaves in the range of some GHz. For this we set up the broadband microstrip ferromagnetic resonance technique, so that we could do the most diverse experiments. In particular we were able to vary the frequency over a considerable range (1-10 GHz) depending on the material. We also studied phenomena involving the conversion of spin current into charge current in ferromagnetic (FM)/normal metal (MN) bilayers. The generation of the spin current occurred through two processes: magnetiza-tion precession (spin pumping) or thermal gradient (spin Seebeck). The most important results are the measures of spin pumping and spin Seebeck made simultaneously. We show that the effects "add up", besides showing that the damping of the ferromagnetic material (FM) can be controlled by the thermal gradient. Another important demonstration of this thesis was to show that it is difficult, but it is possible to separate the spin Seebeck effect from the anomalous Nernst effect of a ferromagnetic metallic (FMM) material using an FMM/AFI/MN type structure, where AFI refers to an antiferromagnetic insulation material that blocks the load current, but allows the flow of spin current. To interpret our data we construct a model using the Boltzmann equation based on the Fermi-Dirac distribution function and prove that the theory to describe behavior in a ferromagnetic material is similar to that used to describe the behavior of magnons in ferromagnetic insulation. We also point out that we have pioneered with an innovative experiment that an antiferromagnetic material produces a spin current that is detectable. When we study solid state physics we understand the different properties that materials possess. One of these characteristics is that bosonic particles (magnons, phonons, photons, etc.) can inte-ract. One of the questions that is asked about the behavior of these particles is whether they carry angular momentum of spin. Studies with phonons have generated so far this questioning. Here we demonstrate in a pioneering way using the magneto-phonon conver-sion that the phonon has spin. For this we perform Brillouin light scattering experiments that showed that the polarization of the converted phonon is circular. To interpret our data we construct a quantum theory based on the second quantization that explains our results very well.

CNPq Nos últimos 10 anos, a spintrônica vem sendo alvo de pesquisas pela comunidade científica devido a sua alta aplicabilidade tecnológica. Esta área emergente do magnetismo se destaca por acrescentar um novo grau de liberdade à eletrônica convencional: o spin. Nesta tese será apresentado, em detalhes, o estudo de fenômenos spintrônicos em filmes finos ferromagnéticos e heteroestruturas (ferromagnético/metal normal) produzidos, em sua maioria, pela técnica de evaporação catódica. A tensão elétrica na condição de ressonância ferromagnética de um filme simples de permalloy (Ni₈₁Fe₁₉ - Py) foi estudada, variando a espessura do filme entre 4 nm e 150 nm, foi possível concluir que parte desta tensão decorre do efeito magnonic charge pumping (MCP), indicando que no uso do permalloy como injetor de corrente de spin em heteroestruturas a contribuição MCP deve ser considerada. Foi observada a conversão pelo efeito Edelstein inverso (IEE) na monocamada de grafeno sobre o YIG (Y₃Fe₅O₁₂), na interface YIG/SLG, foi possível estimar a condutância mista de spin em ↑↓≈4×10¹⁷ m⁻², a eficiência de conversão Edelstein pode ser calculada na camada de grafeno em ≈10⁻³ nm. Foram produzidas as heteroestruturas Safira/6QL (Bi₀.₂₂Sb₀.₇₈)₂Tₑ₃/Py(12 nm) e Safira/6QL (Bi₀.₂₂Sb₀.₇₈)₂ Tₑ₃/NiO(5 nm)/Py(20 nm) e realizadas medidas de bombeamento de spin (SPE) e efeito spin Seebeck (SSE), em ambas foi observada a conversão de corrente de spin em corrente de carga no isolante topológico (Bi₀.₂₂Sb₀.₇₈)₂Tₑ₃, obtendo uma condutância mista de spin com valor de ↑↓≈4×10¹⁹ m⁻², além de ser possível interpretar a corrente de carga gerada pelo do efeito Edelstein inverso e estimar o comprimento Edelstein em =0.075 nm pelo efeito SPE e =0.076 nm pelo efeito SSE. Foi observado o efeito spin Hall inverso (ISHE) no filme de IrMn, indicando ↑↓()≈0.43↑↓() e coeficiente de conversão ISHE ₛₕ()≈0.8ₛₕ(), tanto para SPE quanto para SSE. A estrutura YIG/PANI()/Pt(10 nm) foi produzida e através dela verificou-se o transporte de corrente de spin no polímero condutor PANI, nesse caso o filme de Pt é utilizado como detector de corrente de spin, obtendo, assim, o comprimento de difusão de spin do PANI ₛ()=590±40 nm. Foi possível constatar o aumento da eficiência de conversão ISHE no filme de Pt contendo nanopartículas de Ag na sua espessura média. Variando a espessura nominal do filme de Ag contido em YIG/[Pt(3 nm)-Ag()]/Pt(3 nm), verificou-se um aumento máximo da corrente relativa ()(=0) de 8.1 para injeção de corrente de spin por SPE e 10.0 para o efeito SSE em uma espessura ₐ=9 nm. Além dos SPE e SSE, foi possível realizar medidas de magnetorresistência de spin (SMR), e obter um aumento do ângulo spin Hall em uma ordem de grandeza novamente para ₐ=9 nm em relação ao filme Pt. A partir desta espessura, as nanopartículas começam a se aglutinar iniciando-se a formação de um filme contínuo de Ag e, assim, diminuindo a eficiência de conversão. Pelo fato de a Pt possuir uma conversão de aproximadamente 5%, de acordo com os resultados obtidos, a eficiência de conversão no sistema [Ag-Pt] pode chegar a 50%, o que demostra um avanço em spintrônica. In the last 10 years, spintronics has been subject of intense research in the scientific community due to its high technological applicability. This emerging area of magnetism stands out for adding a new degree of freedom to conventional electronics: the spin. In this thesis will be present, in detail, the investigation of spintronic phenomena in ferromagnetic and heterostructures (ferromagnetic/normal metal) thin films, produced, mostly, by sputtering deposition. The electric voltage on the ferromagnetic resonance condition in a monolayer of permalloy (Ni₈₁Fe₁₉ - Py) was investigate, varying the thickness of the film from 4 nm up to 150 nm, was possible to conclude that part of this voltage is attributed to the magnonic charge pumping (MCP) effect, indicating that when use Py as spin injector in heterostructures, the contribution of MCP should be considered. Was observed the conversion by inverse Edelstein effect (IEE) was observe on a single layer of graphene (SLG) on top of a YIG (Y₃Fe₅O₁₂) film, on the interface YIG/SLG, was possible to estimate the spin mixing conduction in ↑↓≈4×10¹⁷ m⁻². the efficiency of inverse Edelstein conversion was possible to be calculating in Graphene layer in ≈10⁻³ nm. Was produced the heterostructures Sapphire/6QL (Bi₀.₂₂Sb₀.₇₈)2Tₑ₃/Py(12 nm) and Sapphire/6QL (Bi₀.₂₂Sb₀.₇₈)2Tₑ₃/NiO(5 nm)/Py(12 nm) and performed spin pumped effect (SPE) and spin Seebeck effect (SSE), in both, was observed the conversion of spin current in charge current in the topological insulator (Bi₀.₂₂Sb₀.₇₈)2Tₑ₃, obtained the spin mixing conductance with value of ↑↓≈4×10¹⁹ m⁻², besides being able to interpret the charge current by the inverse Edelstein effect, and calculate =0.075 nm by SPE and =0.075 nm by SSE. Was observed the inverse spin Hall effect (ISHE) in the IrMn film, indicating ↑↓()≈0.43↑↓() and coefficient of conversion ISHE in ₛₕ()≈0.8ₛₕ() for both methods of spin injection, SPE and SSE. The structure YIG/PANI()/Pt(10 nm) was produced and by means of it was verified the transport of spin current in the conductor polymer, polyalanine (PANI), in this case, the Pt film is used as a detector of spin current, was possible estimate the spin diffusion length in ₛ()=590±40 nm. It was possible to verify the increase of the efficiency of conversion ISHE by the nanoparticles of Ag in the middle part of Pt thickness. Varying the nominal thickness of Ag film, in the structure YIG/[Pt(3 nm)-Ag()]/Pt(3 nm), was observed the maximum improve of relative charge current (ₐ)(ₐ=0) by the same amount of spin injection in 8.1 for SPE and 10.0 by SSE at thickness of ₐ=9 nm. Besides the SPE and SSE was possible perform spin magnetoresistance (SMR) measurements and, again, obtain the same improvement of an order of magnitude of spin Hall angle for ₐ=9 nm, in comparison with Pt. Beyond this thickness, the nanoparticles start to agglutinate beginning the formation of a continuous film of silver, and so decreasing the conversion efficiency. Because platinum has conversion about 5%, by the results obtained, the conversion efficiency in the system [Ag-Pt] can reach 50%, which shows a novel advance in spintronic.

Agradecimentos: The financial supports from the Brazilian Agencies FAPESP (Grants: 16/10668-7 and 12/24055-6) and CNPq and from the UK Engineering and Physical Sciences Research Council, are gratefully acknowledged Abstract: We have investigated the spin properties of a two-dimensional hole gas (2DHG) formed at the contact layer of a p-type GaAs/AlAs resonant tunneling diode (RTD). We have measured the polarized-resolved photoluminescence of the RTD as a function of bias voltage, laser intensity and external magnetic field up to 15T. By tuning the voltage and the laser intensity, we are able to change the spin-splitting from the 2DHG from almost 0 meV to 5 meV and its polarization degree from - 40% to + 50% at 15T. These results are attributed to changes of the local electric field applied to the two-dimensional gas which affects the valence band and the hole Rashba spin-orbit effect FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ Fechado

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2019-05-29T13:32:58Z No. of bitstreams: 1 878592.pdf: 1049448 bytes, checksum: de69bdcf78957c83c3c98a7fadb7fb49 (MD5) Made available in DSpace on 2019-05-29T13:32:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 878592.pdf: 1049448 bytes, checksum: de69bdcf78957c83c3c98a7fadb7fb49 (MD5) Previous issue date: 2017-09 O presente estudo aborda as propriedades magnéticas e de transporte no composto de FePt L10. O composto tem estrutura tetragonal e forte anisotropia magnetocristalina. Os filmes foram preparados por sputtering. Para medir a Magnetorresistência Anisotrópica de Tunelamento (TAMR) foram preparadas tricamadas FePt/AlOx/Au. Todas as ligas preparadas apresentaram coercividade significativa. Em alguns deles, campos coercivos, µ0Hc > 1, 6, a 300 K foram obtidos. As observações da Microscopia de Força Magnética foram analisadas considerando a interação existente entre propriedades estruturais e magnéticas. Nos filmes de FePt, a diminuição da resistência observada com o aumento do campo aplicado, foi relacionada à redução na dispersão de elétron-magnon, devido ao fato que o campo aplicado induz ordem magnética adicional nas ligas. A magnetorresistência anisotrópica (AMR) e a TAMR revelaram comportamento similares de forma qualitativa. Isso pode ser entendido quando se considera que o parâmetro físico, que determina esses comportamentos, é a direção da magnetização em relação`a corrente. O sinal AMR calculado para a camada de FePt é de 10% a baixa temperatura. Entretanto, devido a forte anisotropia magnetocristalina do FePt, apenas 2% foi encontrado. Ao contrário, o sinal TAMR é muito fraco, de apenas 1% a baixa temperatura. Sugeriu-se que a TAMR poderia oferecer uma das perspectivas mais promissoras para o desenvolvimento de novos objetos spintrônicos. São necessários mais estudos para entender quais são os fatores que limitam os valores de TAMR alcançados até hoje. The present study deals with magnetic and transport properties in the L10 FePt compound. The compound has tetragonal structure and strong magnetocrystalline anisotropy. Films were prepared by sputtering. For measuring Tunnel Anisotropic Magnetoresistance (TAMR), FePt/AlOx/Au trilayers were prepared. All prepared alloys exhibited significant coercivity. In some of them, coercive fields µ0Hc > 1, 6 T at 300 K were obtained. Magnetic Force Microscopy observations were analyzed considering the interplay existing between structural and magnetic properties. In FePt films, the resistance decrease observed as the strength of the applied field increased has been related to the reduction in electron-magnon scattering, due to the fact that the applied field induces additional magnetic order in the alloys. The magnetoresistance anisotropy (AMR) and the TAMR were found to reveal similar behavior qualitatively. This may be understood when one considers that the physical parameter, which determines these behaviors is the direction of the magnetization with respect to the current. The AMR signal calculated for the layer of in FePt is ∼ 10% at low temperature. However, due to the strong magnetocrystalline anisotropy of the FePt, only 2% was found. On the opposite, the TAMR signal is very weak, of only 1% at low temperature. It had been suggested that TAMR could offer one of the most promising perspective for the development of new objects in spintronics. Further studies are needed aiming at understanding which are the factors limiting TAMR values reached until today.

Spin drag measurements were performed in a two-dimensional electron system set close to the crossed spin helix regime and coupled by strong intersubband scattering. In a sample with uncommon combination of long spin lifetime and high charge mobility, the drift transport allows us to determine the spin-orbit field and the spin mobility anisotropies. We used a random walk model to describe the system dynamics and found excellent agreement for the Rashba and Dresselhaus couplings. The proposed two-subband system displays a large tuning lever arm for the Rashba constant with gate voltage, which provides a new path towards a spin transistor. Furthermore, the data shows large spin mobility controlled by the spin-orbit constants setting the field along the direction perpendicular to the drift velocity. This work directly reveals the resistance experienced in the transport of a spin-polarized packet as a function of the strength of anisotropic spin-orbit fields., Comment: 6 pages, 4 figures