Explosive instabilities of acoustic waves propagating in antiferromagnet under magnetic and elastic pumping

We report results of our study for an explosive behavior of nonlinear ultrasound occurring when acoustic nonlinearity is efficiently modulated by another physical process. In the considered example, a Lamb wave propagates in an antiferromagnetic plate in the presence of a harmonically oscillating magnetic field and a shear resonance. In this situation, the magnetic pumping induces a backward phase conjugate Lamb wave. Thus the system supports three phonons: two of the Lamb waves and one of the shear resonant mode. The appropriate classical Hamiltonian contains a term describing the interaction of three waves with complex conjugate amplitudes. Correspondingly, the quantum counterpart of the Hamiltonian includes the product of three phonon creation operators. Therefore, it can be expected that the Lamb waves together with the shear resonant mode will be amplified with a huge factor. The amplification occurs in a two-phonon system as well i.e. when the modulation affects not the nonlinear parameter but the linear modulus. However, the amplitudes growth in the two-phonon system is exponential in time as it should be for a classical parametric amplification process, whereas the reported three-phonon system experiences an explosive instability. The explosive behavior means that in the beginning of the process the amplitudes grow exponentially and, soon after that, the positive feedback from the shear resonance induces a mathematical singularity in the time dependency of amplitudes. In other words, if the magnetic pumping is fixed and can not be depleted, the amplitudes become theoretically infinite at some finite moment of time after switching on the pumping. The corresponding synchronism condition is required which equates the magnetic pump modulation frequency to the sum of the double frequency of the Lamb wave and the shear resonance frequency. It is of interest to note that the effect of the additional resonance pumping is analogous to the action of the Feshbach resonance observed in ultra-cold gazes. In this study, we write out the equations of motions for the considered exemplar system using the Hamiltonian formalism which is most suitable for the demonstration of the quantum analogy and of the Feshbach-type resonance effect. Then we theoretically analyze the stationary solution and formulate the conditions for the instability that occurs when the stationary solution is not possible. Finally, we numerically solve the equations of motion and illustrate the explosive dynamics with a number of examples. It is shown that the explosive scenario can occur with a very low signal level i.e. Lamb waves amplitudes comparable to the spontaneous noise in the system. From the practical point, we propose an extremely effective channel for converting magnetic energy into mechanical energy. The considered nonlinearity modulation mechanism is possible to extend onto systems of different physical nature and to apply in acousto-electronics, electro- and hydrodynamics and in microsystems designing

Microwave Spin-Pumping from an Antiferromagnet FeBO3

Recently, canted antiferromagnets offer great potential for fundamental research and applications due to their unique properties. The presence of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction leads to the existence of a weak ferromagnetic moment at room temperature. We study both theoretically and experimentally microwave spin pumping by the quasi-ferromagnetic mode from a canted easy plane antiferromagnet with weak ferromagnetism FeBO3. The conversion of a microwave signal into the constant voltage is realized using the inverse spin Hall effect in an iron borate/heavy metal heterostructure. We use an additional bias magnetic field to selectively tune the resonance frequency of such a microwave detector over a wide range up to 43.5 GHz with potential sensitivity near 2.5 microV/W. We confirm the pure spin current nature by changing polarity of the detected via inverse spin Hall effect voltage by switching the direction of the bias magnetic field. We believe that our results will be useful for the development of highly tunable, portable and sensitive microwave antiferromagnet-based functional devices.Comment: 7 pages, 3 figures, 3 pages supplementary informatio

Regulatory competence as a factor of semantic co-directed interaction of teachers and students of master’s degree

the urgency of consideration of the semantic interaction of teachers and students through the development of their readiness for samoregulyatsiya competent regulatory support individual trajectory of professional and didactic actions on the basis of the integrative personal characteristics; the process of implementation of the program of interactive development of regulatory competence as a factor of semantic co-directed interaction of teachers and students of the master’s degree of the University in the course of teaching the discipline “Acmeological foundations of identity and meaning formation”is considered. Data on the results obtained and criteria for effective evaluation of the results of the process under study are presented. The substantiation of the concept of “educational semantic Elevator” implemented by students as a trajectory of individual and personal self-development in the conditions of psychological and pedagogical support from teachers and psychologists is presented;.semantic conditionality of development of regulatory competence in professionally directed didactic interaction of teachers and students of faculties of pedagogy and psychology in the course of studying of disciplines of a psychological and pedagogical cycle; qualitative characteristics of the co-directed semantic professionally significant didactic interaction. Abstract: the article deals with the process of implementation of the program of interactive development of regulatory competence as a factor of semantic co-directional interaction of teachers and students of the master’s degree in the course of teaching the discipline “acmeological basis of identification and meaning formation”. Provides information about the results obtained and the criteria for an effective evaluation of the results of the process under study. The substantiation of semantic conditionality of development of regulatory competence in professionally directed didactic interaction of teachers and students of faculties of pedagogy and psychology in the process of studying disciplines of psychological and pedagogical cycle is presented

Nano-Système Magnéto-Électro-Mécanique (NMEMS) ultra-basse consommation pour le traitement et le stockage de l'information

Avec le développement des nouvelles technologies de l'information et de la communication (NTIC), la consommation énergétique des systèmes de traitement et de stockage de données est devenue un problème majeur. Les limites des systèmes actuels à cet égard impliquent le besoin de technologies de rupture ultra-basse consommation.Cette thèse propose une approche originale de cette problématique, basée sur l'utilisation d'un élément magnétoélectrique composite (piézoélectrique/magnétostrictif) bistable et commandable de façon univoque, baptisé MELRAM.L'étude énergétique statique montre que la combinaison d'une anisotropie uni-axiale et d'un champ de polarisation magnétique statique définit deux positions d'équilibre stables perpendiculaires pour l'aimantation dans la partie magnétostrictive. L'application de contraintes piézoélectriques sur celle-ci permet de contrôler électriquement la position de l'aimantation. L'étude énergétique du système permet également de montrer la stabilité du système à long terme (10 ans), dans une large gamme de températures autour de l'ambiante, avec une barrière énergétique de 60kBT. L'étude dynamique, utilisant le modèle du macrospin, permet quant à elle d'exhiber un temps de réponse inférieur à 1ns. L'énergie dissipée lors de l'écriture, d'origine électrique et magnétique, est évaluée à 261kBT (1,1aJ), soit quatre ordres de grandeur en dessous de l'état de l'art.Plusieurs stratégies de lecture par vanne de spin et jonction tunnel magnétique sont proposées et commentées. Les premières réalisations d'éléments nanométriques magnétostrictifs sont présentées ainsi qu'une solution de polarisation magnétique intégrée par aimant permanentAs new information and communication technologies boom, the energy consumption of data processing and storage systems has become a major issue. The limits of state of the art systems regarding this gives rise to the need for ground-breaking ultra-low power technologies.This PhD thesis suggests an original approach of this issue, based on a bistable composite magnetoelectric element (piezoelectric/magnetostrictive) which can be controlled unequivocally, named MELRAM.The static energetic study shows that the combination of an uniaxial anisotropy and a static magnetic bias field defines two stable and perpendicular equilibrium positions for magnetization in the magnetostrictive part. The application of piezoelectric stress allows the electric control of the magnetization position.The energetic study also shows the long term (10 years) stability of the system, in a large temperature range around room temperature, with an energy barrier of 60kBT. The dynamic study, using the macrospin model, gives a response time less than 1ns. The dissipated energy during writing, of electric and magnetic origin, is estimated at 261kBT (1.1aJ), that is to say four orders of magnitude below the state of the art.Several reading strategies using spin valves and magnetic tunnel junction are proposed and commented. First realization of nanometer-sized magnetostrictive elements are presented as well as an integrated polarization solution, using permanent magnetsVILLENEUVE D'ASCQ-ECLI (590092307) / SudocSudocFranceF

Microsystèmes Magnéto-Mécaniques (MMMS) pour le contrôle actif d'écoulements aérauliques

LILLE1-BU (590092102) / SudocVILLENEUVE D'ASCQ-ECLI (590092307) / SudocSudocFranceF

High frequency and nonlinear phenomena in thin active ferromagnetic planar structures

Les récentes découvertes sur les phénomènes hyperfréquences et nonlinéaires dans les structures minces ferromagnétiques actives planaires ont fait émerger un grand nombre de nouvelles études et applications pratiques prometteuses. La conversion de l'énergie magnétoélastique peut être beaucoup plus efficace à proximité de la transition de réorientation de spin (TRS). Les structures minces ferromagnétiques actives planaires fournissent un grand nombre de caractéristiques haute fréquence uniques : par exemple, les conditions pour l effet Doppler anomal peuvent être satisfaites. Les cristaux magnoniques représentent également un domaine prometteur pour les futures investigations.Dans le présent travail nous avons établi la description théorique de la propagation des ondes hyperfréquences et non-linéaires dans les structures minces ferromagnétiques actives planaires de compositions différentes. Il a été démontré expérimentalement et théoriquement que les vibrations basse fréquence d un cantilever peuvent être amplifiées quand la résonance ferromagnétique est excitée par un champ électromagnétique HF à proximité de la TRS. En outre, l'effet de la démodulation magnétoélastique peut être complété par un effet magnétoélectrique nonlinéaire. La possibilité de l'apparition de l'effet Doppler anomal lors de la propagation d'une onde de surface magnétostatique dans une structure ferrite-diélectrique-métal, dans une certaine plage de paramètres du système, est démontrée. La dispersion d'une onde magnétostatique de surface se propageant dans un film dont l'épaisseur varie linéairement, et possédant une structure périodique sous la forme de bandes parallèles gravées, a été calculéeRecently discovered investigations on the high frequency and nonlinear phenomena in thin active ferromagnetic planar structures showed a great number of new studies and promising practical applications. The magnetoelastic energy conversion can be much more efficient in the vicinity of spin reorientation transition (SRT). The thin active ferromagnetic planar structures provide a lot of unique high frequency features: for instance, the anomalous Doppler effect conditions can be satisfied. The magnon crystals are also an actual area for the further investigation of the domain.In the present work we derived the theoretical description for the high frequency and non-linear waves propagation in thin planar ferromagnetic structures with different compositions. It was demonstrated experimentally and theoretically that LF vibrations of the cantilever can be amplified when FMR is excited by HF electromagnetic field near SRT. Moreover the magnetoelastic demodulation effect can be supplemented with nonlinear magnetoelectric effect. The possibility of the occurrence of the anomalous Doppler effect during propagation of an MSSW in an FDM structure in a certain range of system parameters is substantiated. The dispersion of a surface magnetostatic wave propagating in a film, whose thickness varies linearly, with a periodic structure in the form of parallel etched strips was calculated. As it was clearly demonstrated these works are of great interest for the new studies and practical applicationsVILLENEUVE D'ASCQ-ECLI (590092307) / SudocSudocFranceF

Explosive instability of magneto-elastic Waves

Les instabilités paramétriques non linéaires (NL) ont été observées sur les ondes magnéto-élastiques dans le cas d un couplage de trois quasi-phonons sous pompage électromagnétique. La théorie en prédit une dynamique supercritique explosive, mais limitée expérimentalement par le décalage de fréquence dû aux fortes nonlinéarités. La dynamique supercritique des instabilités paramétriques NL est étudiée dans deux matériaux antiferromagnétiques "plan facile" (AFEP): l hématite a-Fe2O3 et le borate de fer FeBO3. Ces matériaux possèdent une très grande NL acoustique effective en raison du couplage magnéto-élastique élevé. Les mécanismes de limitation de la dynamique explosive ont été analysés à l'aide de l'approximation anharmonique. La compensation du décalage fréquentiel NL par une modulation de phase singulière du pompage a été proposée et théoriquement vérifiée, puis utilisée pour l observation expérimentale de la dynamique supercritique explosive des excitations de trois quasi-phonons dans les résonateurs magnéto-élastiques. Les études sur FeBO3 ont été réalisées dans la gamme de température 77 K - 293 K où les paramètres magnéto-élastiques du cristal varient de façon significative. Un modèle fortement non linéaire des excitations de trois quasi-phonons dans les AFEPs a été développé. Les simulations numériques sont en accord avec les résultats expérimentaux. Les études théoriques de couplage de trois ondes magnéto-élastiques progressives ont été effectuées sur la base de modèles théoriques prenant en compte la non-linéarité cubique des cristaux AFEP réels. Les simulations numériques prévoient un comportement explosif et une localisation spatiale des triades généréesRecently discovered nonlinear parametric instabilities occur when nonlinear parameter of a system is modulated. These instabilities were reported on magnetoelastic waves as three quasi-phonon coupling under electromagnetic pumping. Theoretical studies predicted supercritical explosive dynamics of these instabilities. Experimentally such singular behavior is limited by strong nonlinear frequency shift.Presented work studies supercritical dynamics of nonlinear parametric instabilities in two easy plane antiferromagnets (AFEP): hematite a-Fe2O3 and iron borate FeBO3. These materials possess unprecedented effective acoustic nonlinearity due to high magneto-elastic coupling. Limiting mechanisms of explosive dynamics were analyzed with the help of anharmonic approximation. Nonlinear frequency shift compensation via singular pumping field phase modulation was suggested and theoretically approbated. This technique was successfully used for experimental observation and investigation of supercritical explosive dynamics of three quasi-phonon excitations in magnetoelastic resonators. Iron borate studies were performed in the temperature range 77 K 293 K where magnetoelastic parameters of the crystal vary essentially. Strongly nonlinear model of three quasi-phonon excitations in AFEPs was developed. Numerical simulations of the model showed good agreement with experimental results.Theoretical studies of three travelling magnetoelastic waves coupling are performed on the basis of suggested theoretical models that take into account cubic nonlinearity of real AFEP crystals. Numerical simulations of the models suggest explosive behavior and spatial localization of generated triadsVILLENEUVE D'ASCQ-ECLI (590092307) / SudocSudocFranceF

Dispositifs d'Affichage de Sensations Tactiles à Base de Microsystèmes Électro-Mécaniques (MEMS) Magnétiques (Conception, Réalisation et Tests)

Les dispositifs de stimulation tactile sont des systèmes destinés à fournir un retour sensoriel à leurs utilisateurs. Ils enrichissent les interfaces homme-machine dans les applications de réalité virtuelle ou augmentée. Ce mémoire traite de l apport des microsystèmes électromécaniques (MEMS) actionnés magnétiquement à la réalisation d interfaces de stimulation tactile facilement intégrables.Un état de l art des solutions d actionnement mises en œuvre dans les dispositifs existants est proposé, ainsi qu'une définition des besoins pour les applications visées. Les solutions retenues sont basées sur l actionnement magnétostatique.Les premiers prototypes d interfaces de stimulation tactile se présentent sous la forme d'un réseau de 4x4 actionneurs élastomériques hybrides avec un pas de 2 mm, combinant microfabrication et techniques de fabrication conventionnelles. La conception et l élaboration de ces micro-actionneurs est présentée en détail. L'actionnement impulsionnel permet d'atteindre des amplitudes de vibration importantes (jusqu'à 200 m) et des forces élevées (32mN par actionneur). Des tests sensoriels confirment enfin leur efficacité. Des micro-bobines ont aussi été développées afin de répondre aux besoins des micro-actionneurs magnétiques, ainsi qu'au cahier des charges des interfaces de stimulation tactile. Diverses configurations de micro-bobines adaptées à l'actionnement de puissance sont proposées et réalisées par électrodéposition. Des micro-actionneurs basés sur ces bobines intégrées ont alors été réalisés, puis caractérisés. L'utilité des bobines pour les micro-actionneurs de puissance est alors discutée face aux solutions d actionnement hybrideTactile display devices are systems bound to provide a tactile feedback to their users. They improve human-machine interfaces in the fields of virtual or augmented reality. This report deals with the contribution of magnetically actuated micro-electro-mechanical systems (MEMS) to the elaboration of easily integrable tactile display devices.A state of the art of actuation techniques used in existing devices is proposed, along with a requirements analysis for tactile applications. Magnetostatic actuation was considered for these needs.First tactile display device prototypes are designed as a network of 4x4 hybrid elastomeric micro-actuators with a 2 mm pitch, and combined microfabrication and conventional fabrication techniques.The conception and elaboration of these micro-actuators is detailed. High vibration amplitudes can be reached using pulse actuation (up to 200 m), with instantaneous forces of 32 mN per actuator. Sensitive tests were also achieved in order to confirm their efficiency.Micro-coils were also developed in order to fulfill the magnetic micro-actuators needs, and meet the requirements for tactile display devices. Various micro-coil configurations suitable for power actuation are proposed and elaborated by electrodeposition. Micro-actuators based on elastomeric membranes were fabricated and characterized. The contribution of these micro-coils for micro-actuation is discussed face with hybrid approachesVILLENEUVE D'ASCQ-ECLI (590092307) / SudocSudocFranceF

Propagation confocale et diffusion Brillouin de faisceaux acoustiques conjugués en phase

VILLENEUVE D'ASCQ-ECLI (590092307) / SudocLILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF