Théorie unifiée du transport de spin, charge et chaleur

par David Luc

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Xavier Waintal et de Mairbek Chshiev.

Soutenue le 15-06-2016

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut nanosciences et cryogénie (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Christopher Bauerle.

Le jury était composé de Henri Jaffrès.

Les rapporteurs étaient Aurélien Manchon, André Thiaville.


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous étudions le transport diffusif de la charge, du spin et de la chaleur dans les structures métalliques incluant des métaux ferromagnétiques. En particulier, nous nous sommes intéressés à la partie de ce transport dont la polarisation n'est pas colinéaire à l'aimantation ambiante.Par exemple un courant polarisé en spin arrivant sur une couche magnétique dont l'aimantation pointe dans une autre direction verra sa partie transverse (i.e. non colinéaire à l'aimantation) précesser et être absorbée par l'aimantation sur une distance de quelques nanomètres au plus. Nous présentons un état de l'art sur ces deux distances caractéristiques, de précession et d'absorption transverse. Nous montrons aussi que ce comportement a un impact majeur sur la dynamique, notamment des murs de domaines magnétiques "longs" (plus de dix nanomètres).Nous étudions aussi le torque de transfert de spin dans ces structures magnétiques. Cette étude a porté sur deux aspects majeurs. Tout d'abord l'amplitude du torque, pour savoir s'il est capable de démarrer une des dynamiques magnétiques connues : l'inversion magnétique, ou la précession en état stationnaire. Ensuite, la dépendance du torque avec l'angle relatif des aimantations : dans certains cas, une configuration non-colinéaire peut-être stabilisée. Deux sources d'énergies ont été considérées, une différence de potentiel, ou une différence de température (en incluant les effets thermoélectriques dépendant du spin).Toute cette étude est réalisée dans le cadre de notre théorie, la Continuous Random Matrix Theory, que nous présentons dans son intégralité, de son origine avec la théorie de scattering, jusqu'aux équations différentielles de diffusion, résultat majeur de cette thèse.Nous présentons aussi l'outil numérique basé sur cette théorie, grâce auquel nous avons effectué toutes nos simulations. Cet outil permet d'évaluer le transport diffusif dans les structures métalliques tridimensionnelles, en utilisant des paramètres matériaux facilement disponibles dans la littérature pour la plupart.

  • Titre traduit

    Unified theory of spin, heat and charge transport


  • Résumé

    In this thesis we study the diffusive transport of the charge, spin and heat in metallic structures involving ferromagnets. In particular, we focused on the part of the transport which polarization is not collinear to the surrounding magnetization.For example, a spin-polarized current arriving on a magnetic layer with a magnetization pointing in another direction will have its transverse part (i.e. non-collinear to the magnetization) precess and be absorbed by the magnetization, over a distance of up to a few nanometers. We present a state-of-the-art collection of values for those two characteristic lengths, of precession and transverse absorption. We also show that this behavior as a tremendous impact over the dynamics, notably that of "long" magnetic domain walls (over ten nanometers).We also study the spin-transfer torque in those magnetic structures, and focus on two major aspects. First the amplitude of the torque, to know if it is strong enough to start one of the known dynamics: magnetic switching or steady-state precession. Second, the dependence of the torque with the relative angle between the magnetizations: in some cases, a non-collinear configuration may be stabilized. Two driving forces have been considered, a voltage bias or a temperature difference (by including spin-dependent thermoelectric effects).This whole study is performed within the framework of our theory, the Continuous Random Matrix Theory, that we present in its entirety, from its origin with the scattering theory, to the diffusion differential equations, one of the main results of this thesis.We also present the numerical tool we developed, based on this theory, which we used to perform all of our simulations. This tool allows for the evaluation of the diffusive transport in three-dimensional metallic structures, using (mostly) readily available material parameters.


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