Détection locale de la résonance magnétique · 2010. 3. 8. · CEA Orme des Merisiers, 91191...

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



Outline

1 Détection mécaniqueHistoriquePrincipes

2 Mesures sur le YIGEchantillon modèleEffets non-linéaires

3 Mesures sur le PermalloyTri-couchesInjection de courant




HistoriquePrincipes

Outline







HistoriquePrincipes

Historic of mechanical detection:

1955: D.F. Evans measures mechanically the nuclearsusceptibility.

D. F. Evans, Phil. Mag. 1, 370 (1956)




HistoriquePrincipes


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)




HistoriquePrincipes


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




HistoriquePrincipes


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.




HistoriquePrincipes

Ultimate sensitivity: One Bohr magneton

Rugar (2004):single spin detection.

ESR signal.

Diluted sample.

Ultra-low temperatures.




HistoriquePrincipes

Outline







HistoriquePrincipes

Principles

M

HextMtip




HistoriquePrincipes

Principles

N

F

M

Hext

α

α =l2

2EIFz+

l

3EINy




HistoriquePrincipes

Principles

x

z

h(ω)

θ

M

Hext




HistoriquePrincipes

Principles

z

x

α

Mz

Mt




HistoriquePrincipes

Principles

M

θ0 cos(ωct)




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.




HistoriquePrincipes



F =

∮Stip

B(M tip · n

)dS,

N =

∫Vtip

(M tip × B

)dV ,


Cylindrical probe magnetφ = 18µm, L = 32µm

CoFeNi cylinder r = 9µm




HistoriquePrincipes



F =

∮Stip

B(M tip · n

)dS,

N =

∫Vtip

(M tip × B

)dV ,


Spherical probe magnetR = 2µm

CoFeNi sphere φ = 6µm




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 !!




Echantillon modèleEffets non-linéaires

Outline








Experiment setup

powerReflected

∝ χ′′

stripline reson

ator

Force on cantilever

sample

laser beamphoto-diode

h

Microwavesynthesizer

ω0/2π ∼ 10 GHz

Bext

∝ ∆Mz





Sample

Y3Fe5O12 (YIG) disk:

2RY =160±4µm





Sample

Y3Fe5O12 (YIG) disk:

∆M

z

Bext (kG) B0





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

��

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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





Outline








Power dependence of Mt and Mz :

h (mOe)

χ̃′′

∆̃M

z

h2

hc

χ′′

∆Mz





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




Tri-couchesInjection de courant

Outline








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):





Spectre RFM (iDC = 0)

Sonde: sphère φ = 4µm

Distance sonde -échantillon = 3µm

Spectre d’un pillierindividuel.

f0 = 9GHz, diam. 1 µm.





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





Outline








Spectres RFM (iDC 6= 0)

Problèmes de stabilité enprésence d’un courant

Procédure “stroboscopique”��

��

��





Spectres RFM (iDC 6= 0)

Champ magnétique DCopposé

Spectres courantnégatif←→ positif6= transfert de spin

Mais j “seulement”≈ 2.107A.cm−2





Génération d’ondes de spin par un courant continu

��

��

� ��

��

��

��

��

�! #"%$& '#()#*

�,+��

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

)




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”


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).


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