PhD defense – Spin transfer in a magnetic insulator

On Thursday 28th of November at 10h00 Nicolas THIERY, will defend his thesis entitled :

Spin transfer in a magnetic insulator (Transfert de spin dans un isolant magnétique)

Place : CEA 17 rue des Martyrs, bat 1005 room 445 (persons who do not have a CEA badge must request an entry authorization sufficiently in advance, before November 25th at sabrina.megias@cea.fr, or celine.conche@cea.fr

 

Abstract :

The generation and detection of pure spin currents circulating in magnetic insulator materials are at the heart of insulating spintronics. It have proven its worth by enabling transport of spin information across large distances, much further than in metals, thanks to the absence of decay mechanism through the delocalized electrons.
Spin currents here propagate over localized magnetic moments via spin-waves (SW), or their quanta the magnons, with characteristic frequencies ranging from GHz to THz and associated wavelengths from µm to nm.

Recently, considerable attention in the field of insulating spintronics has been given Yttrium Iron garnets (YIG), which is a ferrimagnetic insulator with the lowest known amount of magnetic damping.

My thesis work focuses on spin waves transport in high-quality ultra-thin films exploiting spin-orbit tools to interconvert the spin signal into an electrical signal. By injecting a high current density in Pt electrodes deposited few microns apart on top of a YIG film, a pure magnon current propagating in the YIG can be induced/detected via the direct/inverse spin Hall effect.

The main contribution of my work is a thorough investigation of the spin transfer at large energies.

We have found that the spin conductance in this system can cross several regimes that involve a strong change in the magnon distribution. Throughout various techniques such as local and non-local transport as a function of various parameters (current, field, temperature), Brillouin light scattering spectroscopy, and magnetoresistance measurements, we provide a complete analysis of the different phenomena surrounding the spin transport at large energy in thin YIG films and we will show that our experimental findings can be explained classically and do not support yet the emergence of the new collective quantum behaviors, such as Bose-Einstein condensation at room temperature.
 

Résumé :

La génération et détection de purs courants de spin dans des isolants magnétiques sont au cœur de la spintronique des isolants. Ce nouveau concept émergent permet un transport à longue distance d’une information, dites de spin, grâce à l’absence d’électrons de conduction qui favorise la propagation.
Un courant de spin peut alors être induit à travers le réseau de spin via une “onde de spin”, connue aussi sous le nom de “magnons”, ayant des fréquences caractéristiques allant du GHz jusque au THz avec des longueurs d’onde associée entre le µm et le nm.

La spintronique des isolants moderne se focalise principalement sur le grenat de fer de yttrium (YIG), un isolant ferrimagnétique, possédant le plus faible amortissement magnétique connu.

Mon travail de thèse a consisté à étudier le transport d’onde de spin dans des films de YIG ultra-minces (quelques nm) et de hautes qualités, en exploitant l’interaction spin orbite dans les métaux et les propriétés d’interfaces pour convertir un courant de charge en ondes de spin.

Par l’injection d’une forte densité de courant dans un nanofil de platine (Pt) déposé directement sur le film magnétique, un pure courant magnonique peut être induit/détecté dans le YIG par l’effet direct/inverse Hall de spin dans le Pt.

La principale contribution de mon travail a consisté d’étudier cette conversion à des fortes énergies. J’ai notamment démontré expérimentalement, que la conductance de spin dans ce système présent divers régimes impliquant un changement drastique de la densité d’état des magnons.

A travers différentes méthodes de mesure comme le transport de spin local et non-local, la diffusion Brillouin et des mesures de magnetoresistance, je fournis une analyse complète des différents phénomènes entourant le transfert de spin dans des films ultra-minces de YIG.
Mes résultats expérimentaux apportent une contribution dans l’exploration de phénomènes collectifs nouveaux tels que la formation de condensats de Bose-Einstein à température ambiante.


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