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Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Détection locale de la résonance magnétique:le char des spins excités par les ondes radio.
O. Klein G. de Loubens V. V. Naletov
Service de Physique de l’Etat Condensé,CEA Orme des Merisiers, 91191 Gif-Sur-Yvette, France.
La Technoparade, Grenoble, le 7 avril 2005
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Outline
1 Détection mécaniqueHistoriquePrincipes
2 Mesures sur le YIGEchantillon modèleEffets non-linéaires
3 Mesures sur le PermalloyTri-couchesInjection de courant
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Outline
1 Détection mécaniqueHistoriquePrincipes
2 Mesures sur le YIGEchantillon modèleEffets non-linéaires
3 Mesures sur le PermalloyTri-couchesInjection de courant
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Historic of mechanical detection:
1955: D.F. Evans measures mechanically the nuclearsusceptibility.
D. F. Evans, Phil. Mag. 1, 370 (1956)
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Historic of mechanical detection:
1955: D.F. Evans measures mechanically the nuclearsusceptibility.“However, it is unlikely to have any practical importance, since an inhomogeneous field is necessary andtherfore the resolution is excessively low. . . ” (Evans)
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Historic of mechanical detection:
1955: D.F. Evans measures mechanically the nuclearsusceptibility.Sidles (1991): propose to combine MRI and AFM
+
Magnetic Resonance Force Microscopy
Magnetic Resonance Imaging Atomic Force Microscopy
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Historic of mechanical detection:
1955: D.F. Evans measures mechanically the nuclearsusceptibility.Sidles (1991): propose to combine MRI and AFM
+
Magnetic Resonance Force Microscopy
Magnetic Resonance Imaging Atomic Force Microscopy
Rugar (1992) ESR, (1994) NMR.Hammel et Wigen (1996) FMR.
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Ultimate sensitivity: One Bohr magneton
Rugar (2004):single spin detection.
ESR signal.
Diluted sample.
Ultra-low temperatures.
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Outline
1 Détection mécaniqueHistoriquePrincipes
2 Mesures sur le YIGEchantillon modèleEffets non-linéaires
3 Mesures sur le PermalloyTri-couchesInjection de courant
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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HistoriquePrincipes
Principles
M
HextMtip
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Principles
N
F
M
Hext
α
α =l2
2EIFz+
l
3EINy
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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HistoriquePrincipes
Principles
x
z
h(ω)
θ
M
Hext
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Principles
z
x
α
Mz
Mt
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Principles
M
θ0 cos(ωct)
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Mechanical interaction
Force and torque on the cantilever:
F =
∮Stip
B(M tip · n
)dS,
N =
∫Vtip
(M tip × B
)dV ,
with B = Bext + Bsample.Probe magnet −→ controlled geometry.
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Mechanical interaction
Force and torque on the cantilever:
F =
∮Stip
B(M tip · n
)dS,
N =
∫Vtip
(M tip × B
)dV ,
with B = Bext + Bsample.Probe magnet −→ controlled geometry.
Cylindrical probe magnetφ = 18µm, L = 32µm
CoFeNi cylinder r = 9µm
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Mechanical interaction
Force and torque on the cantilever:
F =
∮Stip
B(M tip · n
)dS,
N =
∫Vtip
(M tip × B
)dV ,
with B = Bext + Bsample.Probe magnet −→ controlled geometry.
Spherical probe magnetR = 2µm
CoFeNi sphere φ = 6µm
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Sensitivity
Detection limit:
Brownian motion of the cantilever:
Fmin =
√4kBTkB
ωcQ
k=0.3N/m, Q=8000, T=300K.Fmin ≈ 5fN/
√Hz
Single spin : k=0.1mN/m, Q=100000, T=300mK.Fmin ≈ attoNewton !!
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
HistoriquePrincipes
Sensitivity
Detection limit:
Brownian motion of the cantilever:
Fmin =
√4kBTkB
ωcQ
k=0.3N/m, Q=8000, T=300K.Fmin ≈ 5fN/
√Hz
Single spin : k=0.1mN/m, Q=100000, T=300mK.Fmin ≈ attoNewton !!
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
Echantillon modèleEffets non-linéaires
Outline
1 Détection mécaniqueHistoriquePrincipes
2 Mesures sur le YIGEchantillon modèleEffets non-linéaires
3 Mesures sur le PermalloyTri-couchesInjection de courant
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Echantillon modèleEffets non-linéaires
Experiment setup
powerReflected
∝ χ′′
stripline reson
ator
Force on cantilever
sample
laser beamphoto-diode
h
Microwavesynthesizer
ω0/2π ∼ 10 GHz
Bext
∝ ∆Mz
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Echantillon modèleEffets non-linéaires
Sample
Y3Fe5O12 (YIG) disk:
2RY =160±4µm
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
Echantillon modèleEffets non-linéaires
Sample
Y3Fe5O12 (YIG) disk:
∆M
z
Bext (kG) B0
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Echantillon modèleEffets non-linéaires
Finite size effects
The main resonance (or uniform precessional phase) isaffected by boundary conditions for small samples.The precession angle is spatially non-uniform.
∆Mz = 0.33∆Mz |r=0
���������� ��� ���� �������������� � ���
!"#%$
&' !"# (
&
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Echantillon modèleEffets non-linéaires
Finite size effects
The main resonance (or uniform precessional phase) isaffected by boundary conditions for small samples.The precession angle is spatially non-uniform.
∆Mz = 0.33∆Mz |r=0
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Echantillon modèleEffets non-linéaires
Outline
1 Détection mécaniqueHistoriquePrincipes
2 Mesures sur le YIGEchantillon modèleEffets non-linéaires
3 Mesures sur le PermalloyTri-couchesInjection de courant
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Echantillon modèleEffets non-linéaires
Power dependence of Mt and Mz :
h (mOe)
χ̃′′
∆̃M
z
h2
hc
χ′′
∆Mz
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Echantillon modèleEffets non-linéaires
Power dependence of the damping:
χ′′h2
∆Mz=
γ
τ1= γ
∑{k}
ηknk
nt
ηz
γ
1
γT1
h2 (mOe)2
χ̃′′h
2
∆̃M
z
h2
c
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Tri-couchesInjection de courant
Outline
1 Détection mécaniqueHistoriquePrincipes
2 Mesures sur le YIGEchantillon modèleEffets non-linéaires
3 Mesures sur le PermalloyTri-couchesInjection de courant
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Tri-couchesInjection de courant
Pillier Permalloy/Cuivre/Permalloy
2
3
1
Py (10nm)
Cu (10nm)
Py (100nm)
pillar
hac
Hdc
Idc
Techniques delithographies optique &électronique et degravures ionique &chimique
Mesure de transport(GMR):
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Tri-couchesInjection de courant
Pillier Permalloy/Cuivre/Permalloy
2
3
1
Py (10nm)
Cu (10nm)
Py (100nm)
pillar
hac
Hdc
Idc
Techniques delithographies optique &électronique et degravures ionique &chimique
Mesure de transport(GMR):
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Tri-couchesInjection de courant
Pillier Permalloy/Cuivre/Permalloy
2
3
1
Py (10nm)
Cu (10nm)
Py (100nm)
pillar
hac
Hdc
Idc
Techniques delithographies optique &électronique et degravures ionique &chimique
Mesure de transport(GMR):
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
Tri-couchesInjection de courant
Spectre RFM (iDC = 0)
Sonde: sphère φ = 4µm
Distance sonde -échantillon = 3µm
Spectre d’un pillierindividuel.
f0 = 9GHz, diam. 1 µm.
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
Tri-couchesInjection de courant
Spectre RFM (iDC = 0)
Sonde: sphère φ = 4µm
Distance sonde -échantillon = 3µm
Spectre d’un pillierindividuel.
f0 = 12.3GHz, diam.500nm.
f = 12.3GHz
Hext (kG)
R = 250nm
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Tri-couchesInjection de courant
Outline
1 Détection mécaniqueHistoriquePrincipes
2 Mesures sur le YIGEchantillon modèleEffets non-linéaires
3 Mesures sur le PermalloyTri-couchesInjection de courant
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Tri-couchesInjection de courant
Spectres RFM (iDC 6= 0)
Problèmes de stabilité enprésence d’un courant
Procédure “stroboscopique”���
�����
���� ��� ��� ����� ��� ���
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
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Mesures sur le PermalloySummary
Tri-couchesInjection de courant
Spectres RFM (iDC 6= 0)
Problèmes de stabilité enprésence d’un courant
Procédure “stroboscopique”���
�����
���� ��� ��� ����� ��� ���
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Tri-couchesInjection de courant
Spectres RFM (iDC 6= 0)
Champ magnétique DCopposé
Spectres courantnégatif←→ positif6= transfert de spin
Mais j “seulement”≈ 2.107A.cm−2
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Tri-couchesInjection de courant
Génération d’ondes de spin par un courant continu
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���
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���������
�������
�������
�! #"%$& '#()#*
�,+��
Mesures actuelles : par letransport
Mesure directe de ladynamique dans le régime despetits angles de précession :FMRFM
Équation du mouvement del’aimantation :d ~Mdt = γ(~M × ~Heff ) + α
~MMs× ( d ~M
dt )
+spintorque
Effet d’un courant continu surla largeur de raie :∆H = 2
γ (αω − εIDCγ~eMs
)
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
Tri-couchesInjection de courant
Génération d’ondes de spin par un courant continu
�����
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���� ��� ���
���������
�������
�������
�! #"%$& '#()#*
�,+��
Mesures actuelles : par letransport
Mesure directe de ladynamique dans le régime despetits angles de précession :FMRFM
Équation du mouvement del’aimantation :d ~Mdt = γ(~M × ~Heff ) + α
~MMs× ( d ~M
dt )
+spintorque
Effet d’un courant continu surla largeur de raie :∆H = 2
γ (αω − εIDCγ~eMs
)
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
En résumé. . .
Le point très positif :Premier spectre à très faible amplitude de précession(≈ 1◦) sur un objet unique.
À améliorer :la compréhension du spectre (simulations) et de l’excitationmicro-ondediminuer la taille de l’échantillon−→ champ d’Oersted + faible et lignes de courant + “CPP”
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Détection mécaniqueMesures sur le YIG
Mesures sur le PermalloySummary
En résumé. . .
Le point très positif :Premier spectre à très faible amplitude de précession(≈ 1◦) sur un objet unique.
À améliorer :la compréhension du spectre (simulations) et de l’excitationmicro-ondediminuer la taille de l’échantillon−→ champ d’Oersted + faible et lignes de courant + “CPP”
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005
Appendix For Further Reading
For Further Reading I
M. Sparks.Ferromagnetic relaxation theory.Mc Graw-Hill, 1964.
G. de Loubens, V. V. Naletov, and O. Klein.Magnetization reduction induced by nonlinear effects.cond-mat 0405301.
O. Klein, V. Charbois, V. V. Naletov, and C. Fermon,Phys. Rev. B (Rapid Comm.), 67, 220407 (2003).
O. Klein Technoparade, 7 avril 2005