Spin electronic magnetic sensor based on functional oxides for medical imaging

8th Spintronics Symposium , AUG 09-13, 2015 , San Diego, CAInternational audienceTo detect magnetic signals coming from the body, in particular those produced by the electrical activity of the heart or of the brain, the development of ultrasensitive sensors is required. In this regard, magnetoresistive sensors, stemming from spin electronics, are very promising devices. For example, tunnel magnetoresistance (TMR) junctions based on MgO tunnel barrier have a high sensitivity. Nevertheless, TMR also often have high level of noise. Full spin polarized materials like manganite La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) are attractive alternative candidates to develop such sensors because LSMO exhibits a very low 1/f noise when grown on single crystals, and a TMR response has been observed with values up to 2000%. This kind of tunnel junctions, when combined with a high Tc superconductor loop, opens up possibilities to develop full oxide structures working at liquid nitrogen temperature and suitable for medical imaging. In this work, we investigated on LSMO-based tunnel junctions the parameters controlling the overall system performances, including not only the TMR ratio, but also the pinning of the reference layer and the noise floor. We especially focused on studying the effects of the quality of the barrier, the interface and the electrode, by playing with materials and growth condition

Magnetic field microscopy of rock samples using a giant magnetoresistance–based scanning magnetometer

Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/95412/1/ggge1634.pd

Deep Self-Taught Learning for Handwritten Character Recognition

Recent theoretical and empirical work in statistical machine learning has demonstrated the importance of learning algorithms for deep architectures, i.e., function classes obtained by composing multiple non-linear transformations. Self-taught learning (exploiting unlabeled examples or examples from other distributions) has already been applied to deep learners, but mostly to show the advantage of unlabeled examples. Here we explore the advantage brought by {\em out-of-distribution examples}. For this purpose we developed a powerful generator of stochastic variations and noise processes for character images, including not only affine transformations but also slant, local elastic deformations, changes in thickness, background images, grey level changes, contrast, occlusion, and various types of noise. The out-of-distribution examples are obtained from these highly distorted images or by including examples of object classes different from those in the target test set. We show that {\em deep learners benefit more from out-of-distribution examples than a corresponding shallow learner}, at least in the area of handwritten character recognition. In fact, we show that they beat previously published results and reach human-level performance on both handwritten digit classification and 62-class handwritten character recognition

Superconducting-magnetoresistive sensor: Reaching the femtotesla at 77 K

In order to measure extremely weak magnetic fields, such as those produced by the neuronal activity during cognitive tasks in the brain, we have proposed and realized a femtotesla (10-15T) sensor based on the association of spin electronics and superconductivity which offers an alternative in thin film technology and at 77K to the most sensitive devices which are low-TC SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices). The principle of these mixed sensors is to combine an efficient flux-to-field transformer, realized by a large superconducting loop containing a constriction, and a magnetoresistive sensor with very good sensitivity (GMR or TMR). Field levels of few fT/√Hz in the thermal noise have been reached at liquid nitrogen temperature, which is comparable to performances of SQUIDs in liquid helium. Performances are nevertheless reduced in the low frequency (below 1kHz) range due to 1/f noise present because of the small volume of the magnetoresistive element. Cancellation techniques based on switching on and off the sensor to reference points have been developed and already allow reducing the low frequency noise of more than one order of magnitude, leading to sensitivity in field of 0.1pT/√Hz at 1Hz. First measurements of the magnetic component of the cardiac signal (few pT/√Hz at 1Hz) have been acquired with mixed sensors. The very low thermal noise level has also allowed realizing nuclear quadrupolar resonance measurements on nitrogen compounds, which is a non invasive detection technique for solid explosives. We have also achieved first proton Low-Field Nuclear Magnetic Resonance experiments with such sensors, which has led to develop and build a Magnetic Resonance Imaging setup to realize 3D images at low field (<20mT), which is of great interest for low cost and portable equipment development.Afin de permettre la mesure de champs magnétiques extrêmement faibles, comme ceux produits par l'activité neuronale lors des taches cognitives, nous avons proposé et réalisé un capteur femtotesla (10-15T) associant l'électronique de spin et la supraconductivité offrant une alternative en technologie couches minces et à 77K aux capteurs les plus sensibles actuellement que sont les SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) à basse température critique (4K). Le principe de base de ces capteurs, appelés capteurs mixtes, repose sur l'association d'un transformateur flux-champ très performant, obtenu grâce à une large boucle supraconductrice comprenant une constriction, et d'un capteur magnétique de type GMR ou TMR métallique de grande sensibilité. Des niveaux de détectivité de quelques fT/√Hz dans le bruit thermique ont pu ainsi être atteints à l'azote liquide, ce qui est comparable aux performances des SQUIDs à l'hélium liquide. Il existe cependant un bruit en 1/f à basse fréquence, dû au faible volume de l'élément magnétorésistif, qui limite les performances du capteur en dessous de 1kHz. Des techniques de suppression de ce bruit basse fréquence par bascule sur des points de référence du capteur sont étudiées et permettent déjà de réduire ce bruit de plus d'un ordre de grandeur, ce qui permet d'atteindre 0.1pT/√Hz à 1Hz. Grâce à ces capteurs, il a été possible de réaliser des premières mesures de la composante magnétique du signal cardiaque (signal de quelques pT/√Hz). Le très faible niveau de bruit thermique a permis également de réaliser des mesures de résonance quadrupolaire nucléaire sur des composés azotés qui est une technique de détection sélective d'explosifs. Nous avons aussi montré la possibilité de mesurer la résonance magnétique nucléaire du proton à très faible champ. Cela nous a conduit à développer un dispositif d'imagerie par résonance magnétique pour réaliser des images 3D à très bas champ (<20mT), ce qui présente un très grand intérêt pour la réalisation de systèmes d'IRM portables, faible coût, qu'il serait aussi possible d'intégrer dans un système de magnétoencéphalographie

Électronique de

Les capteurs de champ magnétique ont de nombreuses applications : lecture de disques durs, contrôle de positionnement dans l’espace, codage de position et d’angle, mesure de courant électrique sans contact, imagerie magnétique, contrôle non destructif, imagerie médicale… Parmi les différents types de capteurs magnétiques, ceux issus de l’électronique de spin offrent la possibilité d’une grande sensibilité sur une petite échelle spatiale. Utilisés systématiquement dans le domaine des têtes de lecture des disques durs (voir l’article de J.P. Nozières, p. 12), leur production en grande série pour d’autres applications vient de commencer

Réalisation et étude d'hétérostructures à base du manganite La0.7Sr0.3MnO3 pour des capteurs magnétiques oxydes ultrasensibles

Les matériaux oxydes possèdent une physique très riche et une large gamme de propriétés qui en font des matériaux très attractifs les applications. Notre but est d utiliser ces matériaux oxydes pour améliorer les performances de capteurs magnétiques ultrasensibles appelés capteurs mixtes à 77K. Ces capteurs combineraient un transformateur flux champ supraconducteur en YBaCuO fonctionnant à 77K et la magnétorésistance d une jonction tunnel dont les électrodes sont composées du manganite demi-métallique La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO). Durant cette thèse, nous avons développé l élément clé de ce capteur qu est la jonction tunnel. Toutes les hétérostructures oxydes ont été déposées par ablation laser. Après avoir vérifié les propriétés de films minces de LSMO et obtenu une couche de référence avec des bicouches LSMO dopé Ru / LSMO, nous avons étudié des jonctions tunnel de type LSMO dopé Ru / LSMO/SrTiO3/LSMO. Sur cet empilement inédit, des magnétorésistances tunnel (TMR) allant jusqu à 300% ont été mesurés. Le bruit a été caractérisé pour la première fois dans des jonctions tunnel oxydes. Nous nous sommes aussi intéressés au couplage antiferromagnétique à l interface du LSMO et du SrRuO3 afin de piéger un film de LSMO. Des cycles asymétriques inhabituels ont été observés sur ces bicouches. Des mesures magnétométriques, de réflectivité de neutrons polarisés et des simulations ont alors été combinées pour comprendre le comportement magnétique des bicouches. Cette étude a montré que le couplage antiferromagnétique n est pas homogène à l interface entre le LSMO et le SrRuO3PARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF

Noise in GMR and TMR sensors

International audienceGiant Magnetoresistances (GMR) and Tunnel Magnetoresistances (TMR) take an increasing part in many applications like current sensing, magnetometry or position sensing, thanks to their high magnetoresistance at room temperature, which leads to a large output signal variation. But the real performances of such sensors can only be estimated with respect to the sources of noise. In this chapter, we give first some bases on noise theory and data treatment. Fluctuations, ergodicity and volume considerations will be discussed. A second part will detail noise measurement techniques and data analysis of typical noise power spectra. Sources of noise will be discussed in a third part. In the end of the chapter, specific cases of GMR and TMR magnetic noise and non magnetic noise will be discussed with their physical origin and their analytical or phenomenological expression. We will then present ways to design GMR and TMR sensors for noise reduction, depending on the applications targeted

Spin Electronics Based Magnetic Sensors for Biomagnetic Measurements: From Signals to Dynamic Cortical Networks

International audienceIn this short chapter, we present an alternative approach for biomagnetic signals detection using spin electronics based magnetic sensors. The principle of these sensors is first given followed by examples of their use for magnetocardiography and low field MRI

Magnetoresistive Sensor in Two-Dimension on a 25 μm Thick Silicon Substrate for In Vivo Neuronal Measurements

International audienceNeuronal electrical activity is widely studied in vivo, and the ability to measure its magnetic equivalent to obtain an undisturbed signal with both amplitude and direction information leading to neuronal signal mapping would be a promising tool for neuroscience. To provide such a tool, a probe with spin-electronics-based magnetic sensors with orthogonal axes of sensitivity for two directions of measurement is realized, thanks to a local magnetization re-orientation technique induced by Joule heating. This probe is tested under in vivo measurement conditions in the brain of an anesthetized rat. To be as close as possible to neurons and to create minimal damage during the probe’s insertion, the tip thickness has been drastically decreased using a silicon-on-insulator substrate. Our probes provide the ability to perform in vivo magnetic measurements on two orthogonal axes on a 25 μm thick silicon tip with a sensitivity of 1.7%/mT along one axis and 0.9%/mT along the perpendicular axis in the sensor plane, for a limit of detection at 1 kHz of 1.0 and 1.3 nT, respectively. These probes have been tested through a phantom study and during an in vivo experiment. The robustness and stability over one year are demonstrated