High sensitivity microwave detection using a magnetic tunnel junction in the absence of an external applied magnetic field

In the absence of any external applied magnetic field, we have found that a magnetic tunnel junction (MTJ) can produce a significant output direct voltage under microwave radiation at frequencies, which are far from the ferromagnetic resonance condition, and this voltage signal can be increase by at least an order of magnitude by applying a direct current bias. The enhancement of the microwave detection can be explained by the nonlinear resistance/conductance of the MTJs. Our estimation suggests that optimized MTJs should achieve sensitivities for non-resonant broadband microwave detection of about 5,000 mV/mW

Time-Domain Studies of Very-Large-Angle Magnetization Dynamics Excited by Spin Transfer Torques

We describe time-domain measurements which provide new information about the large-angle nonlinear dynamics of nanomagnets excited by spin-transfer torque from a spin-polarized current. Sampling-oscilloscope measurements, which average over thousands of experimental time traces, show that the mean reversal time for spin-transfer-driven magnetic switching has a step-like dependence on magnetic field, because an integer number of precession cycles is required for reversal. Storage-oscilloscope measurements of individual experimental traces reveal non-periodic large-amplitude resistance variations at values of magnetic field and current in a crossover region between the regimes of spin-transfer-driven switching and steady-state precession. We also observe directly the existence of time-dependent switching, on the nanosecond scale, between different precessional modes and between a precessional mode and a static state, at particular values of magnetic field and current bias.Comment: 20 pages, 6 figures, submitted to Phys. Rev.

The tunneling magnetoresistance current dependence on cross sectional area, angle and temperature

The magnetoresistance of a MgO-based magnetic tunnel junction (MTJ) was studied experimentally. The magnetoresistance as a function of current was measured systematically on MTJs for various MgO cross sectional areas and at various temperatures from 7.5 to 290.1 K. The resistance current dependence of the MTJ was also measured for different angles between the two ferromagnetic layers. By considering particle and angular momentum conservation of transport electrons, the current dependence of magnetoresistance can be explained by the changing of spin polarization in the free magnetic layer of the MTJ. The changing of spin polarization is related to the magnetoresistance, its angular dependence and the threshold current where TMR ratio equals zero. A phenomenological model is used which avoid the complicated barrier details and also describes the data

Spin-transfer switching and thermal stability in an FePt/Au/FePt nanopillar prepared by alternate monatomic layer deposition

We fabricated a current-perpendicular-to-plane giant magnetoresistance (CPP-GMR) nanopillar with a 1-nm-thick FePt free layer having perpendicular anisotropy using the alternate monatomic layer deposition method. Nanopillars consisting of [Fe (1 monolayer (ML))/Pt (1 ML)]n (n: the number of the alternation period) ferromagnetic layers and an Au spacer layer showed spin-transfer induced switching at room temperature.Comment: 11 page

Time-resolved detection of spin-transfer-driven ferromagnetic resonance and spin torque measurement in magnetic tunnel junctions

Several experimental techniques have been introduced in recent years in attempts to measure spin transfer torque in magnetic tunnel junctions (MTJs). The dependence of spin torque on bias is important for understanding fundamental spin physics in magnetic devices and for applications. However, previous techniques have provided only indirect measures of the torque and their results to date for the bias dependence are qualitatively and quantitatively inconsistent. Here we demonstrate that spin torque in MTJs can be measured directly by using time-domain techniques to detect resonant magnetic precession in response to an oscillating spin torque. The technique is accurate in the high-bias regime relevant for applications, and because it detects directly small-angle linear-response magnetic dynamics caused by spin torque it is relatively immune to artifacts affecting competing techniques. At high bias we find that the spin torque vector differs markedly from the simple lowest-order Taylor series approximations commonly assumed.Comment: 29 pages, 5 figures including supplementary materia

Magnetization dynamics in spin torque microwave nano-oscillators

This thesis addresses a current topic of spinelectronics which are steady-state oscillations of the magnetization induced by spin transfer torque. In magnetic nanostructures, the large oscillation amplitude is of interest since it allows probing of the magnetization dynamics in the non-linear regime but also for integrated microwave components. Here the small size of the devices and the relatively large frequency tuning range are promising properties for future telecommunications. However, before integration, major issues need to be addressed such as increasing the output power and understanding the spectral purity. Therefore, we studied experimentally the dynamic behaviour of two types of spin transfer oscillators. The first type focuses on a spin valve structure with a perpendicularly magnetized polarizing layer. We showed that large amplitude magnetization oscillations around its energy maximum can be established as a result of the perpendicular polarizer. With the help of micromagnetic simulations, we were able to interpret qualitatively the experimental results. The second type of structures are MgO based magnetic tunnel junction oscillators of large output power. We developed an experimental set-up to follow the magnetization dynamics in the time domain as well as a data processing protocol to analyze the spectral purity. We identified different transient processes limiting the coherence of the magnetic oscillations, in particular frequency fluctuations on tens of nanoseconds time-scale.Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin et concerne plus particulièrement la dynamique radiofréquence de l'aimantation sous courant polarisé en spin. Dans les nanostructures magnétiques, le transfert de spin permet de soutenir une oscillation entretenue de l'aimantation à grande amplitude. Ces oscillations suscitent un intérêt fondamental pour l'étude de la dynamique de l'aimantation dans le régime fortement non-linéaire. Les oscillateurs à transfert de spin sont également très prometteurs d'un point de vue applicatif, du fait de leur taille nanométrique et de leur forte accordabilité en fréquence. Néanmoins, leur signal de sortie devra être amélioré et l'origine de leur pureté spectrale comprise. Dans cette optique, nous avons étudié expérimentalement la réponse dynamique de deux types d'oscillateurs complémentaires. Nous nous sommes d'abord intéressés à une structure vanne de spin basée sur une couche polarisante à aimantation perpendiculaire. Nous avons démontré la possibilité d'induire une précession de l'aimantation de forte amplitude autour de son maximum d'énergie. Le renfort de simulations micromagnétiques fut nécessaire pour décrire précisément les observations expérimentales. Dans un second temps, nous avons développé un banc de mesure temporelle ainsi qu'un protocole d'analyse original pour étudier la pureté spectrale d'oscillateurs à jonction tunnel magnétique MgO. Ces mesures nous ont permis d'observer certains des mécanismes d'instabilité limitant la cohérence du signal micro-onde de l'oscillateur, comme par exemple des fluctuations de fréquence sur l'échelle de la dizaine de nanosecondes

Magnetization dynamics in spin torque microwave nano-oscillators

This thesis addresses a current topic of spinelectronics which are steady-state oscillations of the magnetization induced by spin transfer torque. In magnetic nanostructures, the large oscillation amplitude is of interest since it allows probing of the magnetization dynamics in the non-linear regime but also for integrated microwave components. Here the small size of the devices and the relatively large frequency tuning range are promising properties for future telecommunications. However, before integration, major issues need to be addressed such as increasing the output power and understanding the spectral purity. Therefore, we studied experimentally the dynamic behaviour of two types of spin transfer oscillators. The first type focuses on a spin valve structure with a perpendicularly magnetized polarizing layer. We showed that large amplitude magnetization oscillations around its energy maximum can be established as a result of the perpendicular polarizer. With the help of micromagnetic simulations, we were able to interpret qualitatively the experimental results. The second type of structures are MgO based magnetic tunnel junction oscillators of large output power. We developed an experimental set-up to follow the magnetization dynamics in the time domain as well as a data processing protocol to analyze the spectral purity. We identified different transient processes limiting the coherence of the magnetic oscillations, in particular frequency fluctuations on tens of nanoseconds time-scale.Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin et concerne plus particulièrement la dynamique radiofréquence de l'aimantation sous courant polarisé en spin. Dans les nanostructures magnétiques, le transfert de spin permet de soutenir une oscillation entretenue de l'aimantation à grande amplitude. Ces oscillations suscitent un intérêt fondamental pour l'étude de la dynamique de l'aimantation dans le régime fortement non-linéaire. Les oscillateurs à transfert de spin sont également très prometteurs d'un point de vue applicatif, du fait de leur taille nanométrique et de leur forte accordabilité en fréquence. Néanmoins, leur signal de sortie devra être amélioré et l'origine de leur pureté spectrale comprise. Dans cette optique, nous avons étudié expérimentalement la réponse dynamique de deux types d'oscillateurs complémentaires. Nous nous sommes d'abord intéressés à une structure vanne de spin basée sur une couche polarisante à aimantation perpendiculaire. Nous avons démontré la possibilité d'induire une précession de l'aimantation de forte amplitude autour de son maximum d'énergie. Le renfort de simulations micromagnétiques fut nécessaire pour décrire précisément les observations expérimentales. Dans un second temps, nous avons développé un banc de mesure temporelle ainsi qu'un protocole d'analyse original pour étudier la pureté spectrale d'oscillateurs à jonction tunnel magnétique MgO. Ces mesures nous ont permis d'observer certains des mécanismes d'instabilité limitant la cohérence du signal micro-onde de l'oscillateur, comme par exemple des fluctuations de fréquence sur l'échelle de la dizaine de nanosecondes

Villes et développement économique en Algérie

The purpose of this thesis is the study of the evolution of cities and the economic development in Algeria, by making a first study on the cities of the Maghreb countries, which present a similarity in their evolution and know an accelerated process of their urbanization due to the phenomenon of rural exodus. This work consists of three chapters.The first chapter proposes to study the development of urban hierarchies and determine the nature of urban growth for the three countries of this region of the world, which has undergone significant demographic, political, economic and social changes since the second half of the 20th century. This work is based on a database of urban populations in the Maghreb countries of more than 5000 inhabitants for all the censuses carried out since the 1960s. We will then analyze the results found with the help of econometric tools and models often used by researchers in the field of urbanization.Algeria, which is our case study in the second chapter, presents at independence in 1962, a dependent economy, disarticulated and oriented around the interest of the colonial minority and capitalization metropolitan, its poor and almost illiterate population lives on the northern strip of the country. Post independence industrial projects launched by successive governments have had no convincing results. Indeed, more than half a century later, Algeria is still highly dependent on hydrocarbon rent and its economy has not been diversified.The city of Algiers, object of our third chapter, was born in the 10th century and becomes the capital of the Regency between the 16th and 19th century. During the colonial period 1830-1962, the city developed, westernized, it becomes the colonial capital out of the hype and at independence, from the departure of the Europeans, a rush on the vacant property is observed; the exodus started during the war accelerates. The new state does not have an urban policy; it renews the colonial legislation and then opts in 1974 for a socialist and liberal type of legislation from 1990. The attempts to control the urbanization by institutions, studies, and divisions did not give the convincing results, the city evolved spontaneously.L’objet de cette thèse est l’étude de l’évolution des villes et le développement économique en Algérie, en faisant une première étude sur les villes des pays du Maghreb qui présentent une similitude dans leur évolution et connaissent un processus accéléré de leur urbanisation dû au phénomène de l’exode rural. Ce travail est composé de trois chapitres.Le premier chapitre propose d’étudier le développement des hiérarchies urbaines et de déterminer la nature de la croissance urbaine pour les trois pays de cette région du monde qui a subi des changements démographiques, politiques, économiques et sociaux importants depuis la seconde moitié du 20ème siècle. On s’appuie dans ce travail sur une base de données qui regroupe la population des villes urbaines des pays du Maghreb de plus de 5000 habitants pour tous les recensements effectués depuis les années 60. Nous analyserons ensuite les résultats trouvés à l’aide d’outils et modèles économétriques utilisés souvent par les chercheurs dans le domaine de l’urbanisation.L’Algérie, qui constitue notre cas d’étude dans le deuxième chapitre, présente à son indépendance en 1962, une économie dépendante, désarticulée et orientée autour de l’intérêt de la minorité coloniale et du capitalise métropolitain, sa population pauvre et quasiment analphabète vit sur la bande Nord du pays. Les projets industriels postindépendance lancés par les gouvernements successifs n’ont pas eu de résultats probants. En effet, plus d’un demi-siècle plus tard, l’Algérie est toujours fortement dépendante de la rente des hydrocarbures et son économie n’a pas été diversifiée. La ville d’Alger, objet de notre troisième chapitre, est née au 10ème siècle et devient la capitale de la Régence entre le 16ème et 19ème siècle. Durant la période coloniale 1830-1962, la ville se développe, s’occidentalise, elle devient la capitale coloniale hors de l’hexagone et à l’indépendance, dès le départ des européens, un rush sur les biens vacants est observé, l’exode entamé durant la guerre s’accélère du fait que le nouvel État n’a pas eu une politique urbaine, il reconduit la législation coloniale puis opte en 1974 pour une législation de type socialiste et libérale à partir de 1990. Les tentatives de maitriser l’urbanisation par des institutions, des études, et des découpages n’ont pas donné les résultats probants, la ville a évolué spontanément

Cities and economic development in Algeria

L’objet de cette thèse est l’étude de l’évolution des villes et le développement économique en Algérie, en faisant une première étude sur les villes des pays du Maghreb qui présentent une similitude dans leur évolution et connaissent un processus accéléré de leur urbanisation dû au phénomène de l’exode rural. Ce travail est composé de trois chapitres.Le premier chapitre propose d’étudier le développement des hiérarchies urbaines et de déterminer la nature de la croissance urbaine pour les trois pays de cette région du monde qui a subi des changements démographiques, politiques, économiques et sociaux importants depuis la seconde moitié du 20ème siècle. On s’appuie dans ce travail sur une base de données qui regroupe la population des villes urbaines des pays du Maghreb de plus de 5000 habitants pour tous les recensements effectués depuis les années 60. Nous analyserons ensuite les résultats trouvés à l’aide d’outils et modèles économétriques utilisés souvent par les chercheurs dans le domaine de l’urbanisation.L’Algérie, qui constitue notre cas d’étude dans le deuxième chapitre, présente à son indépendance en 1962, une économie dépendante, désarticulée et orientée autour de l’intérêt de la minorité coloniale et du capitalise métropolitain, sa population pauvre et quasiment analphabète vit sur la bande Nord du pays. Les projets industriels postindépendance lancés par les gouvernements successifs n’ont pas eu de résultats probants. En effet, plus d’un demi-siècle plus tard, l’Algérie est toujours fortement dépendante de la rente des hydrocarbures et son économie n’a pas été diversifiée. La ville d’Alger, objet de notre troisième chapitre, est née au 10ème siècle et devient la capitale de la Régence entre le 16ème et 19ème siècle. Durant la période coloniale 1830-1962, la ville se développe, s’occidentalise, elle devient la capitale coloniale hors de l’hexagone et à l’indépendance, dès le départ des européens, un rush sur les biens vacants est observé, l’exode entamé durant la guerre s’accélère du fait que le nouvel État n’a pas eu une politique urbaine, il reconduit la législation coloniale puis opte en 1974 pour une législation de type socialiste et libérale à partir de 1990. Les tentatives de maitriser l’urbanisation par des institutions, des études, et des découpages n’ont pas donné les résultats probants, la ville a évolué spontanément.The purpose of this thesis is the study of the evolution of cities and the economic development in Algeria, by making a first study on the cities of the Maghreb countries, which present a similarity in their evolution and know an accelerated process of their urbanization due to the phenomenon of rural exodus. This work consists of three chapters.The first chapter proposes to study the development of urban hierarchies and determine the nature of urban growth for the three countries of this region of the world, which has undergone significant demographic, political, economic and social changes since the second half of the 20th century. This work is based on a database of urban populations in the Maghreb countries of more than 5000 inhabitants for all the censuses carried out since the 1960s. We will then analyze the results found with the help of econometric tools and models often used by researchers in the field of urbanization.Algeria, which is our case study in the second chapter, presents at independence in 1962, a dependent economy, disarticulated and oriented around the interest of the colonial minority and capitalization metropolitan, its poor and almost illiterate population lives on the northern strip of the country. Post independence industrial projects launched by successive governments have had no convincing results. Indeed, more than half a century later, Algeria is still highly dependent on hydrocarbon rent and its economy has not been diversified.The city of Algiers, object of our third chapter, was born in the 10th century and becomes the capital of the Regency between the 16th and 19th century. During the colonial period 1830-1962, the city developed, westernized, it becomes the colonial capital out of the hype and at independence, from the departure of the Europeans, a rush on the vacant property is observed; the exodus started during the war accelerates. The new state does not have an urban policy; it renews the colonial legislation and then opts in 1974 for a socialist and liberal type of legislation from 1990. The attempts to control the urbanization by institutions, studies, and divisions did not give the convincing results, the city evolved spontaneously