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Centre for Nanoscience
and Nanotechnology

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Seminars

  • 13

    06/2018

    Twistable electronics with dynamically rotatable heterostructures


      Rebeca Ribeiro.

    The electronic properties of two-dimensional materials and their heterostructures can be dramatically altered by varying the relative angle between atomic planes.  This makes it theoretically possible to realize a new class of twistable electronics in which device properties can be manipulated on-demand by simply rotating the structure. A significant limitation to exploiting this unique degree of freedom, however,  has been the difficulty to precisely vary the rotational order. Here, we demonstrate a new device architecture in which a layered heterostructure can be dynamically twisted, in situ.  We study graphene encapsulated by boron nitride where at small rotation angles the device characteristics are dominated by coupling to a large wavelength Moir\'e superlattice. The ability to investigate arbitrary rotation angle in a single device reveals new features in the optical, mechanical and electronic response in this system.  Our results establish the capability to fabricate twistable electronic devices with dynamically tunable properties.

     

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  • 11

    06/2018

    Si-CMOS-compatible microphotonics platform which will enable on-chip imaging and sensing applications


      Anu Agarwal.

    The mid-infrared wavelength range (2.5~12μm) includes the absorption peaks of many important chemicals including environmental and industrial pollutants, toxic agents of interest to homeland security and also the medical drug delivery industry of big pharma. By analyzing the absorption spectrum of a chemical, one can (i) identify the chemical species and (ii) measure its concentration. With a Si CMOS compatible integrated mid-infrared (MIR) platform for sensing, we can envision a network of low-cost sensors for diverse applications. Here I will discuss the main building blocks of an integrated mid-infrared (MIR) sensing platform: the light source, the waveguide sensor and the detector, focusing predominantly on the development of the sensor and detector.

    For both, waveguide sensor and photodetector materials, we seek (a) low-cost options with (b) low deposition temperatures for back-end Si-CMOS-compatibility, and (c) robustness against harsh sensing environments. For waveguide sensors to provide good signal to noise ratios, the material must additionally display low absorption and low sidewall scattering losses. Photodetectors must be absorptive at the wavelengths of interest.

    We will discuss integration strategies for photodetectors: (i) with a sensor waveguide as well as (ii) with a resonant cavity connectorized to CMOS electronics. The detection of liquids, gases and aerosols using these devices will be discussed. Our work makes us hopeful regarding the future of mid-IR silicon photonic sensor systems.

     

    Speaker bio:

    Anu Agarwal

    Principal Research Scientist

    MIT Materials Research Laboratory

    Leader, Lab for Education and Application Prototypes (LEAP), AIM Photonics Academy

    Dr. Anu Agarwal received her doctoral degree in Electrical Engineering from Boston University in 1994, where she investigated the spatial extent of point defect interactions in silicon.

    She has been at MIT since 1994, except for a short (2001-2004) stint at Clarendon Photonics, where she was a part of a team of engineers developing a novel optical filter.

    Currently, as a Principal Research Scientist, she is developing integrated Si-CMOS compatible linear and non-linear materials for photonic devices, especially in the mid-IR regime, for hyperspectral imaging and chem-bio sensing, because most chemical and biological toxins have their fingerprints in this range. She has over 100 journal and refereed conference publications, 6 awarded patents and 5 pending patents. Her work on MIR materials and devices is creating a planar, integrated, Si-CMOS-compatible microphotonics platform which will enable on-chip imaging and sensing applications.

     

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  • 4

    06/2018

    High efficiency nanowire detectors & sub-Kelvin cryogenics


      Vikas Anant.

    Abstract:

    Superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) with very high efficiencies (80-90+%) near 1550nm have been recently used for many record-setting experiments in quantum optics, and high data-rate long-range optical communications. Much of the improvement in efficiency is due to the use of tungsten-silicide (WSi) as the superconducting material, which exhibits a higher device yield when fabricated in multi-layer stacks than traditional NbN or NbTiN-based detectors. In this talk, I will introduce SNSPDs and will describe the latest development of these devices at Photon Spot. The talk will also describe the closed-cycle cryogenic system that is used to cool down and operate these detectors.

    Bio:
    Dr. Anant received his Ph.D. in Electrical Engineering from the Massachusetts Institute of Technology. He founded Photon Spot, Inc. in 2009 to commercialize high-efficiency SNSPDs and provide easy-to-use cryogenics technology to the quantum optics community. Photon Spot is located in the greater Los Angeles area, near Caltech and the Jet Propulsion Laboratory.

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  • 1

    06/2018

    Learning in Spiking and Artificial Neural Networks Implemented Using Digital, Analog, and Memristive Devices


      Mostafa Rahimiazghadi.

    Abstract:

    Synaptic plasticity is believed to play an essential role in learning and memory in the brain. Perhaps the most popular synaptic plasticity rule (learning algorithm) among neuromorphic engineers is the Spike Timing Dependent Plasticity (STDP). This talk will cover the design and implementation of a number of STDP and Triplet STDP electronic circuits using different hardware approaches, including analog, digital, and memristors. All these implementations are able to completely and with a minimal error replicate the outcome of a wide range of biological experiments. The talk will discuss the use of a number of these implementations in a spiking neural architecture comprising of different types of neurons to perform cognitive tasks such as pattern classification and unsupervised character recognition.

    Furthermore, the talk will show some results for the hardware implementation of limited-precision non-spiking artificial neural networks on Field Programmable Gate Arrays (FPGA) for the classic benchmark of handwritten digits, MNIST. It also discusses the use of limited-precision neural classifiers in an agriculture robot currently being developed at James Cook University, Australia.  

    Speaker:

    Mostafa Rahimi Azghadi completed his PhD in Electrical & Electronic Engineering at The University of Adelaide, Australia, earning the Doctoral Research Medal in July 2014. He was a visiting PhD student in the Neuromorphic Cognitive System group, in the Institute of Neuroinformatics, University and ETH Zurich, Switzerland.

    Since 2016, Mostafa is a lecturer (assistant professor) at the College of Science and Engineering, James Cook University, Townsville, Australia, where he researches neuromorphic engineering and brain-inspired learning. Dr. Rahimi was a recipient of several national and international awards and scholarships such as Queensland Young Tall Poppy Science Award in 2017. In 2018, Mostafa founded Neural Inspired Computing and Engineering (NICE) lab at James Cook University. He serves as an associate editor of IEEE Access and is a review editor of Frontiers in Neuromorphic Engineering.

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  • 29

    05/2018

    Problems in Nonlinear Magnetic Dynamics


      Robert E. Camley.

    The experimental creation [1] of large oscillating microwave fields (200 Oe) in microstructures has generated new directions for investigation. We will look at two special and important cases which have the potential for experimental implementation:

    1) Nonlinear excitations and ferromagnetic resonance results for exchange coupled bilayers
    Here we study localization and absorption in exchange coupled thin films and find a number of interesting features: (i) There can be a power-dependent localization of energy in one film, breaking the symmetry; (ii) For the antiferromagnetic coupled bilayer, there can be a rapid increase in absorbed energy (4 orders of magnitude) as the input power is increased slightly. This occurs at a new nonlinear frequency and has the potential to be used as a high-frequency power limiter.

    2) A magnetic analogy to the Fermi-Pasta-Ulam problem
    The original Fermi-Pasta-Ulam (FPU) problem [2] examined nonlinear elastic motion in a chain and was a catalytic study (generating thousands of citations) that gave significant insight in nonlinear physics. In a linear harmonic system one expects that if energy is put into one eigenmode, the energy will eventually be spread out equally through all the eigenmodes (through damping or small perturbations). What FPU found for a nonlinear system was very different. Energy added to one mode was transferred to nearby modes in frequency, but then the system would nearly completely return to the original mode as time progressed. Here we present the first theoretical study of FPU behaviour in nonlinear magnetic chains [3]. In magnetic systems the FPU behaviour exists only under certain conditions and may be turned on and off by varying an external magnetic field. A realistic micromagnetic model shows such behaviour could be measurable.


    [1] Y. Khivintsev et al., Appl. Phys. Lett. 98, 042505 (2011)
    [2] E. Fermi, J. Pasta, S. Ulam, Document LA-1940, Los Alamos National Laboratory (1955)
    [3] J. Lewis, R. Camley, and N. Anderson, Phys. Rev. Lett. 120, 167203 (2018)

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  • 25

    05/2018

    Optical Nanofibers; experiments in optomechanics and quantum optics.


      Luis Orozco.

    Nanofibers produced by tapering an ordinary single mode optical fiber to diameters of half a micron are interesting optical objects. We have studied the Spin-optomechanical coupling between light and a nanofiber torsional mode with nanofibers excited with circularly polarized light in the HE11 mode. Our recent experiments with cold trapped Rb atoms around the nanofiber include the modification of the polarization of the light by the birefringence of the atoms,revealing their dynamics in the trap.

    Work supported by the National Science Foundation of the United Stated.

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  • 23

    05/2018

    Heat Assisted Magnetic Recording Technology - Background, Status and Future


      Dieter Weller.

    Heat-assisted magnetic recording (HAMR) media requirements and challenges to extend the areal density (AD) beyond 1.4 Tb/in2 [1] will be discussed. Industry research efforts started in 2000 and Hard Disk Drives (HDD) with capacities beyond 10 Terra-Bytes (TB) per disk drive are expected in 2018 [2].  Key progress efforts beyond recording media are related to read-write heads, head-disk interface (HDI) and channels. Today’s channels allow experimental bit-error rates (BER) down to 10-2 [1].

     

    Todays HAMR media are based on granular high magnetic anisotropy chemically ordered, well textured and chemically isolated L10 FePtX-Y films of about 12 nm average thickness. This is achievable by sputter co-deposition of FePt with grain segregants, Y, like C, BN, SiO2 or TiO2 (carbides, nitrides, oxides). Such segregants laterally exchange-decouple grains and make them permanent magnets with up- or down orientation. Six to ten of such grains form one bit with either up (=1) or down (=0) orientation.

     

    Key ongoing progress efforts include average grain diameter <D> reduction from 8 to 4 nm, grain diameter distribution reduction sD/D from 20 to 10 % and Curie temperature distributions sTC/TC below 3%. Research and development efforts are adjusting / optimizing TC to the available near field transducer (NFT) laser heat power by doping FePt with Cu or Ni. Thin seed layers like 10 nm thick fcc MgO (100) are important to facilitate the formation of well-oriented grains with high chemical ordering and proper perpendicular magnetic anisotropy Ku  > 5.107 erg/cm3 [3]. All this is expected to increase AD up to about 4 Tb/in2 [3]. Other, primarily modeling efforts, predict at least 10 Tb/in2 AD HAMR technology, e.g. based on exchange coupled continuous ECC media, which will also be highlighted.

     

    [1] Ganping Ju et al., IEEE Trans Mag. 51, 3201709 (2015)

    [2] Mark Re, Seagate (2016)

    [3] D. Weller et al., pss A, 210, 1245, (2013) & D. Weller et al., IEEE Trans Mag 50, 3100108 (2014)

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  • 16

    05/2018

    NITRIDE CHEMICAL PASSIVATION OF AIIIBV SEMICONDUCTOR SURFACES: CHEMISTRY, POSSIBLE APPLICATIONS


      V.L. Berkovits.

    A wet chemical nitridation procedure in hydrazine–sulfide solutions has been developed for surface passivation of A3B5 semiconductors. For GaAs and GaSb this procedure allows to create a monolayer of GaN coherently bonded with surface atoms of these crystals. Due to high stability of Ga-N bond, the formed nitride minolayer protects the semiconductor surfaces against oxidation in atmospheric ambient. In also provides an effective electronic passivation.

    Chemical processes occurring in GaAs surface in the hydrazine-sulfide solution are explained.

    Some experimental results evidencing to chemical and electronic passivation of the nitidized GaAs surfaces are presented. Finally, a number of possible applications of the wet nitridation including passivation of GaAs nanowires are demonstrated.

     

    Légend:

    Surface chemical nitridation of GaAs nanowires (NW) reduces the surface state density by a factor of 6 that gives rise to essential increase of the NW conductivity and microphotoluminescence intensity

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  • 15

    05/2018

    Auto-generators of sinusoidal and pulsed THz-frequency signals based on antiferromagnetic dielectrics driven by spin current


      Andrei N. Slavin.

    Antiferromagnets (AFM) are seen as materials for novel THz-frequency signal processing devices [1,2]. In contrast to the devices based on ferromagnets (FM), the AFM-based devices do not require any external bias magnetic field.  Also, the ultrafast magnetization dynamics of the AFM devices is determined by the strong internal exchange field that exists in AFM materials, and keeps their magnetic sublattices anti-parallel to each other. This exchange field determines the high natural frequencies of the AFM resonance, lying in the sub-THz to THz frequency range. Thus, it is tempting to use AFM as active layers in THz-frequency spin-torque nano-oscillators, where the output electromagnetic signal is received using the inverse spin-Hall effect (ISHE) in the NiO/Pt layered structure [3]. Unfortunately, the amplitude of the generated THz-frequency signal is such an AFM oscillator decreases with the increase of frequency, making the generation process less efficient. 

    To meet this challenge, we propose a design of a THz-frequency signal generator based on a the AFM/Pt layered structure where the magnetization vectors of the AFM sub-lattices are canted inside the easy plane by the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), resulting in the formation of a small net magnetization mDMI (e.g. Hematite (Fe2O3)). The perpendicularly polarized spin current, created by a driving DC current in the Pt layer, tilts the DMI-canted AFM sublattices out of the easy plane, thus exposing them to strong internal exchange magnetic field of the AFM. The sublattice magnetizations, along with the small net magnetization vector mDMI of the canted AFM, start to rotate about the hard anisotropy axis of the AFM with the THz frequency proportional to the injected spin current and the AFM exchange field. The rotation of the small net magnetization mDMI results in the THz-frequency dipolar radiation that can be directly received by an adjacent (e.g. dielectric) resonator. 

    We demonstrate theoretically that the radiation frequencies in the range f = 0.05 - 2 THz are possible at the experimentally reachable magnitudes of the driving current density, and evaluate the power of the signal radiated into different types of resonators, showing that this power increases with the increase of frequency and could reach several when a dielectric resonator with a typical quality factor of Q= 750 is used.

    [1] T. Jungwirth et al., Nature Nanotechnology 11, 231 (2016).

    [2] O. Gomonay et al., Phys. Status Solidi RRL 11, 1700022 (2017).

    [3] R. Khymyn et al., Scientific Reports 7, 43705  (2017).

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  • 20

    04/2018

    Near field: exploitation and imaging in nano-photonics


      Massimo GURIOLI.

    The tremendous progress in nanophotonics towards efficient quantum emitters at the nanoscale requires investigation tools able to access the detailed features of the electromagnetic field with deep-subwavelength spatial resolution. This scenario has motivated the development of different nanoscale photonic imaging techniques. Among them superresolution (awarded by Nobel Prize), which, however, is not a near field method.

    In this talk, we will discuss in detail the differences between superresolution and scanning near field optical microscopy. Then we will overview our activity in using near field microscopy for optical imaging and engineering at the nanoscale both in semiconductor nanostructures and  photonics nano-resonators.

    For the imaging, we will mainly discuss a novel technique involving the combination of scanning near-field optical microscopy with resonant scattering spectroscopy, leading to Fano profiles signal for the optical modes [1]. By exploiting both tip perturbation and collection, either in forward or in backward geometry, our approach enables the imaging of the electric and magnetic field intensity (including phase, amplitude and polarization) in nano-resonators with sub-wavelength spatial resolution (*/20) [1-4]. We will discuss results both in photonic crystals [1-4] and in disordered modes [5-8].

    For the engineering, we will show how the ability to control light at the nanoscale can be exploited to tailor and tune the photonic modes [5] and also for fabricating semiconductor quantum dots with control of the spatial location [9]

     

    References

    [1] N. Caselli, et al. Light: Science & Applications 4, e326 (2015)

    [2] N. Caselli, et al. Scientific Reports 5, 9606 (2015)

    [3] F. La China, et al. Appl. Phys. Lett. 107, 101110 (2015)

    [4] F. La China, et al. ACS Photonics 2, 1712 (2015)

    [5] F. Riboli, et al. Nat. Materials 13: 720 (2014)

    [6] N. Caselli, et al. APL Photonics 1, 041301 (2016)

    [7] N. Caselli, et al. APL 110, 081102 (2017)

    [8] N. Caselli, et al. Nat. Comm., 9, 396 (2018)

    [9] F. Biccari et al, Adv Materials, in press (2018)

     

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  • 8

    03/2018

    From orbital angular momentum entanglement to polarized quantum dot cavity QED


      Wolfgang Loeffler.

    Photons can have an orbital angular momentum in addition to polarization or spin angular momentum. I will show how also more than two photons can be entangled in this high-dimensional degree of freedom, which opens up fundamental studies in high-dimensional multi-partite entanglement spaces. Then I will turn to polarization effects in III-V based micropillar cavities with a single quantum dot. On one hand, I show how we gained high-fidelity control of the cavity mode polarization using the electro-optic effect, allowing full restoration of the cavity mode polarization degeneracy. On the other hand, I demonstrate that cavity polarization splitting can be very useful for instance for investigation of the unconventional photon blockade effect in a weak coupling regime. We found that, using a single quantum dot transition that is coupled simultaneously to two orthogonally polarized cavity modes, by careful tuning of the input and output state of polarization, we can reach the regime of unconventional photon blockade.

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  • 6

    03/2018

    Interface engineering for topological spintronics


      Bertrand Dupé.

    Surfaces and interfaces can host a wide range of physical phenomena: changes of chemical potential or hybridization can induce large spin orbit coupling and the breaking of inversion symmetry allows the emergence of new interactions. One of these interactions is the Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) interaction. The DMI stabilizes chiral non-collinear magnetic textures such as domain-walls or skyrmions which can be manipulated efficiently by electrical currents [1].

    Due to their unique dynamic properties, skyrmions offer attractive perspectives for future spintronic applications [1]. Skyrmions can be stabilized at surfaces, interfaces [2,3] and in multilayers at room temperature [4,5]. We have carried out first-principles calculations to study the stabilization mechanisms of skyrmions in ultra-thin-film and multilayers [3,4]. In particular, we showed that the competition between the Heisenberg exchange beyond first nearest neighbor, the DM, the anisotropy and the Zeeman interactions are crucial to describe equilibrium properties of skyrmions of few nano-meters diameter at interfaces. Especially, such competitions may stabilize higher order skyrmionic states [6,7].

    Here, we focus on the dynamics of skyrmions and antiskyrmions under spin orbit torque. Counterintuitively, we show that their dynamics are not driven by their respective topological charge but rather by the symmetry of the DMI as well as the deformation of their core [9]. Finally, we propose to use surface reconstructions to control the symmetry of the interfacial DMI and tune the dynamics of magnetic skyrmions [10,11].

    [1] A. Fert et al., Nat. Nanotech. 8, 152 (2013).
    [2] N. Romming et al., Science 341, 636 (2013).
    [3] B. Dupé et al., Nat. Commun. 5, 4030 (2014).
    [4] B. Dupé et al., Nat. Commun. 7, 11779 (2016).
    [5] C. Moreau-Luchaire et al., Nat. Nanotech. 11, 444 (2016).
    [6] B. Dupé, et al., New J. Phys. 18, 055015 (2016).
    [7] S. von Malottki, et al. Sci. Rep. 7, 12299 (2017).
    [9] U. Ritzmann et al., arXiv:1803.00534.
    [10] N. Hauptmann et al., to be appear in PRB
    [11] M. Dupé et al., in preparation

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  • 14

    02/2018

    Materials Optimization to Form Skyrmion and Skyrmion lattices


      Eric FULLERTON.

    There is increasing interest in materials systems where magnetic skyrmions can be observed.  I will discuss two materials systems where we observe chiral spin structures at room temperature.  The first system is ferrimagnetic Fe/Gd multilayer where we observe sub-100-nm skyrmions and skyrmion lattices. However, the chirality of the skyrmions are random indicating they are dipole stabilized (similar to of bubble memory in the 1970’s) as opposed to by DMI that favors a fixed chirality.  This further allows the formation of bi-skyrmions which result from the merging of two skyrmions of opposite chirality and anti-skyrmions. We find that there is a transition from stripe domains to a skyrmion lattice and then individual skyrmions with magnetic fields and this behavior is sensitive to alloy composition, film thickness, temperature, and field history and only emerges in a narrow range of parameters.  Using micromagnetic modeling we are able to quantitatively reproduce our experimental observations.  The second system is Pt/Co(1.1 nm)/Os(0.2 nm)/Pt heterostructures.  Using Kerr microscopy to observe skyrmions for a narrow temperature and field range.  With relatively low currents, it is possible to move these skyrmions both within patterned wires and full films and we further have observations of the skyrmion Hall effect.  The research is done in collaboration with S. A. Montoya, R. Tolley, S. Couture, J. J. Chess, J. C. T Lee, N. Kent, D. Henze, M.-Y. Im, S.D. Kevan, P. Fischer, B. J. McMorran, V. Lomakin, and S. Roy and is supported by the DOE.

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PhD defense

  • 15

    06/2018

    Manipulation of Dirac Cones and Edge states in Polariton Honeycomb Lattices


      Marijana MILICEVIC.

    Composition du jury proposé

    Rapporteur     M. Dimitrii Krizhanovskii, University of Sheffield, Royaume-Uni

    Rapporteur     M. Mark Oliver Goerbig, LPS, Université Paris-Sud

    Examinatrice  Mme. Hannah Price, University of Birmingham, Royaume-Uni

    Examinateur   M. Jean Dalibard, Collège de France

    Examinateur   M. Mathieu Bellec, LPMC, Université de Nice-Sophia Antipolis

    Directrice de thèse       Mme. Jacqueline Bloch, C2N

    Encadrant de thèse   M. Alberto Amo, PhLAM, Lille

     

     

    Abstract

    The engineering of Dirac matter using photonic materials opens unhindered opportunities to explore unconventional transport and novel topological phases. Thanks to the direct optical access to the spatial and momentum wavefunctions and spectrum exciton polaritons in semiconductor microcavities appear as an extraordinary platform to emulate 1D and 2D Hamiltonians, including Dirac Hamiltonians.

    By etching a GaAs-based microcavity, a honeycomb lattice for polaritons has been fabricated. The lowest two bands of this structure emulate for photons the π and π* bands of graphene. Remarkably, the system also permits exploring orbital degrees of freedom, inaccessible in actual graphene.

    In the first part of this thesis a polariton emulator is used to address the physics of edge states in a honeycomb lattice. New edge states, with flat and dispersive bands, have been discovered and visualised in orbital graphene.

    In the second part of the thesis we demonstrate experimentally a method to tailor the Dirac dispersion for photons. By implementing uni-axial strain in the honeycomb lattice, Dirac photons that combine zero, finite and infinite effective masses are created.

    The experimental and theoretical results here presented open new perspectives for the engineering of interfaces between photonic lattices with different types of Dirac dispersions. Furthermore, the excitonic component of polaritons assures sensitivity to external magnetic fields, providing the possibility to break the time reversal symmetry of the system and to study photonic topological edge states in exotic Dirac cones. Finally, nonlinear Dirac physics can be probed in this system owing to polariton-polariton interactions

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  • 6

    06/2018

    (in french) Etude et développement d'un système de signalisation holographique


      Benjamin Leroy.

    (in french)

    Composition du jury proposé

     

    ESTOUCHES, Université de Saint-Etienne, LHC, Rapporteure

    Emmanuel CENTENO, Université de Clermont-Ferrand, Institut Pascal, Rapporteur

    Elizabeth BOER-DUCHEMIN, Université Paris Sud, ISMO, Examinatrice
    Olivier GAUTHIER-LAFAYE, Université de Toulouse, LAAS, Examinateur
    Kevin HEGGARTY, Télécom-Bretagne, IMT Atlantique, Examinateur
    Giovanna CALO, Université de Bari, Examinatrice
    David BARAT, Groupe PSA, encadrant
    Béatrice DAGENS, Université Paris Sud, C2N, Directrice de thèse

     

    Résumé

    Les travaux de cette thèse ont porté sur la conception et la réalisation d'un dispositif d'éclairage surfacique à géométrie planaire à base de structures plasmoniques, pour révéler un hologramme à la longueur d’onde de 633nm. Ce dispositif sera capable de convertir la lumière cohérente d’une diode laser en un faisceau de sortie large et uniforme, collimaté et avec un angle prédéfini par rapport au plan du dispositif.
    Pour réaliser ce dispositif, la solution envisagée est l'utilisation d'un réseau de guides d'onde diélectriques pour répartir la lumière sur la surface, et de chaînes de nanostructures d'argent couplées aux guides, dimensionnées comme des antennes pour réémettre la lumière hors du plan.
    Les travaux réalisés ont mis en évidence le contrôle du couplage entre le guide d'onde et la chaine de nano-structures d'argent, modulable par plusieurs paramètres dans une gamme comprise entre 10% et 90 %: nombre de particules, dimensions des particules, distance entre le guide et les particules. En jouant sur la période de la chaine, il est possible d'obtenir un rayonnement hors-plan, avec un angle déterminé par la formule des réseaux de diffraction.
    Des émetteurs élémentaires, composés d’un guide et de chaines de particules, ont été fabriqués en salle blanche et caractérisés sur un banc d’optique guidée à l'aide d'un montage de projection dans le plan de Fourier. Les diagrammes de rayonnement expérimentaux sont en accord avec les simulations. De premiers résultats ont également confirmé expérimentalement la possibilité de moduler le couplage guide-chaine en modifiant les dimensions des particules.
    Enfin le réseau de guides d'onde a été dimensionné pour une surface émettrice de 1 cm² et fabriqué en lithographie par projection. Les pertes linéiques mesurées dans les guides d'onde sont de l'ordre de 5 dB/mm. Plusieurs optimisations peuvent être réalisées pour améliorer la qualité des guides. A partir des données expérimentales obtenues et des simulations de propagation de faisceau, une configuration réaliste de dispositif d’éclairage incluant le nombre et le positionnement des émetteurs sur le réseau de guides a été proposée. L’ensemble des travaux réalisés valident l’approche choisie.

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  • 18

    05/2018

    (in french) Découplage de détecteurs radiofréquences supraconducteurs à très haute sensibilité pour la micro-imagerie par résonance magnétique


      Michel Geahel.

    (in french)

  • 15

    05/2018

    (in french) Mouvement de parois de domaines magnétiques dans des fils de CoFeB induit par un courant polarisé en spin


      Xueying ZHANG.

    (in french)

    Cette thèse est consacrée aux recherches des propriétés statiques et dynamiques des parois de domaines magnétiques (DW pour Domain Wall) dans les nanofils CoFeB. Un système de mesure basé sur un microscope Kerr à haute résolution a été mis en place et utilisé pour ces recherches. Tout d'abord, les phénomènes liés à la tension interfaciale des parois ont été étudiés. La contraction spontanée des bulles de domaine a été observée directement en utilisant le microscope Kerr. Ce phénomène a été expliqué en utilisant le concept de la pression de Laplace due à l'énergie interfaciale des parois. L'énergie interfaciale des parois a été quantifiée en mesurant le champ externe nécessaire pour stabiliser ces bulles. Le mécanisme de la piégeage et de la dépiégeage des parois dans certaines géométries artificielles, comme la croix de Hall ou l'entrée reliant un carré de nucléation et un fil, a été expliqué en utilisant le concept de tension interfaciale des parois et a été utilisé pour extraire l'énergie interfaciale des parois. Bénéficiant de ces études, une méthode permettant de quantifier directement le coefficient des Interactions de Dzyaloshinskii- Moriya (DMI pour Dzyaloshinskii- Moriya Interaction) à l'aide du microscope Kerr a été proposée. En outre, un nouveau type de capteur magnétique basé sur l'expansion réversible de paroi en raison de la tension interfaciale a été proposé et vérifié en utilisant des simulations micromagnétiques. Deuxièmement, les propriétés dynamiques des parois dans le film et les fils Ta / CoFeB / MgO ont été étudiées. La vitesse du propagation des parois induite par le champ magnétique ou par l'effet combiné des impulsions de champ magnétique synchronisées et des impulsions de courant électrique a été mesurée. En régime précessionne, la vitesse du mouvement DW induite par l'effet combiné du champ et du courant est égale à la superposition des vitesses entraînées par le champ ou le courant indépendamment. Ce résultat nous a permis d'extraire la polarisation de spin de CoFeB dans cette structure. Les effets de piégeage du mouvement des parois dans les fils étroits ont été étudiés. Des champs de dépiégeage associés aux gros défauts pour le mouvement des parois induit par champ dans les nanofils a été mesurée. Il a été constaté que les effets de piégeage deviennent plus sévères lorsque la largeur w des fils diminue. Une relation linéaire entre le champ de piégeage et 1/w a été trouvée. L'origine de ces sites d'ancrage durs ainsi que leurs influences sur la vitesse de mouvement des parois ont été discutées. En outre, il a été constaté que l'effet d'épinglage était amélioré lorsque le courant était appliqué, quelle que soit la direction relative entre le mouvement des parois et le courant. Cet accroissement pourrait être expliqué par l'effet du courant de Hall de spin de la sous-couche (Ta). Bien qu'il n'y ait pas eu de DMI ou de champ planaire, le courant de Hall de spin, polarisé dans la direction transversale, peut exercer un couple sur la parois de type de Bloch, une fois que la paroi s'éloigne de la direction transversale. Enfin, un dispositif mémoire de circuit en forme d'anneau basée sur le travail combiné de STT et SOT a été proposée. Comparée à la mémoire de piste traditionnelle en forme de ligne, cette mémoire en forme d'anneau permet au paroi de demaine de se déplacer dans un nanofil en forme d'anneau sans être éjecté, évitant ainsi la perte des informations associées. Le travail de conception et d'optimisation a été réalisé avec des simulations micromagnétiques.

    Mots- clés : parois des domaines magnétiques,fil de CoFeB,courant polarisé,mouvement des parois,tension interfaciale,

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    04/2018

    (in french) Etude de la fabrication et de la transduction d'un microgyromètre piézoélectrique tri-axial en GaAs


      Adrien PIOT.

    (in french)

    Composition du jury proposé

                M. Alain BOSSEBOEUF  Université Paris-Sud  Directeur de thèse

                M. Didier THERON IEMN Rapporteur

                M. Tarik BOUROUINA ESIEE Rapporteur

                Mme Rose-Marie SAUVAGE Direction Générale de l'Armement Examinateur

                M. Benoît CHARLOT  IES, Institut d'Electronique et des Systèmes CNRS UMR 5214 / Université Montpellier Examinateur

                M. Raffaele COLOMBELLI Université Paris-Sud Examinateur

                M. Olivier LE TRAON ONERA - Centre de Châtillon - Université Paris-Saclay Invité

     

    Résumé

    Un microgyromètre 3 axes permet avec une structure unique de mesurer la vitesse de rotation d’un objet autour des trois axes de l’espace. Les microgyromètres 3 axes existants sont peu nombreux et typiquement résonants, fabriqués en technologie silicium par micro-usinage de surface, à transductions électrostatiques, et conçus pour des applications de fort volume ou la taille et le coût sont des critères majeurs. Dans cette thèse nous avons étudié la transduction et le procédé de fabrication d’un gyromètre résonant 3 axes à actionnement et détection piézoélectriques, fabriqué par micro-usinage de volume dans du GaAs semi-isolant, et dont les performances sont potentiellement très supérieures à l’état de l’art tout en conservant une taille et un coût limité. Ce microgyromètre nécessite une transduction piézoélectrique 3D et un routage des connexions électriques qui ont été modélisés et optimisés pour réduire les couplages parasites entre les modes de détection et le mode pilote. Un procédé original de fabrication collective du microgyromètre a été développé, modélisé et caractérisé. Ce procédé utilise notamment une gravure ionique réactive très profonde et traversante du GaAs dans un plasma BCl3-Cl2. Il est démontré pour la première fois qu’une gravure anisotrope traversante de tranchées de 450 µm de profondeur peut être réalisée grâce à une optimisation des paramètres de gravure et à l’utilisation d’un masque en résine. Un procédé original de dépôt et de délimitation d’électrodes Au/Cr sur les flancs verticaux d’une structure gravée par évaporation sous incidence oblique avec rotation du substrat et à travers un masque pochoir en film sec photosensible a aussi été étudié en détail. Une caractérisation fine de la structure cristalline, de la résistivité et des contraintes mécaniques avant, pendant et après recuit des couches Au/Cr poreuses évaporées sous incidence oblique a été menée. Des microgyromètres complets avec tout le système de transduction 3D ont été réalisés. Des premières caractérisations par vibrométrie optique hors du plan et dans le plan des gyromètres réalisés démontrent des résultats encourageants. Enfin, différentes voies d’amélioration de la conception et du procédé sont proposées.

    Mots-clés :

    gyromètre, GaAs, 3 axes, gravure ionique réactive profonde, dépôt oblique, MEMS

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    03/2018

    (in french) Hétérostructures allotropiques de semiconducteurs IV dans des nanofils: nouvelles opportunités more- than-Moore


      Doriane Djomani.

    (in french)

    Nous avons découvert une méthode originale pour produire une transformation de phase dans les nanofils de Ge et Si (de

    structure cubique diamant 3C). Sous l’action d’une contrainte externe à

    chaud, des nanodomaines de structure hexagonale diamant 2H se forment de manière quasi-périodique le long du fil ce qui résulte en un réseau 1D

    d’hétérostructures 3C/2H. Dans ce contexte, ce projet de thèse vise à mettre en lumière les mécanismes de cette transformation de phase et à caractériser les propriétés physiques de la phase 2H. Nous avons mis en place des analyses structurales systématiques dans les nanofils de Ge et Si-3C/2H pour mettre en évidence les paramètres clés de la transformation de phase. Les nanodomaines 2H sont formés dans des bandes de cisaillement de direction <2-5-5>. Une relation d’orientation a été mise en évidence : <1-10>3C//<-2110>2H et (110)3C//(0001)2H  et les bandes 2H reposent majoritairement sur les plans d’interface (115)3C. Les études préliminaires montrent que la contrainte de cisaillement et le budget thermique sont nécessaires à la transformation avec une température seuil minimale de 350°C et 500°C pour le Ge et le Si respectivement, ces conditions sont caractéristiques d’une transformation martensitique. Les paramètres clés identifiés sont : l’orientation cristallographique et le diamètre des nanofils. Dans les nanofils de Si, la formation des bandes de cisaillement et donc des domaines 2H est induite par la composante de contrainte de cisaillement dans la direction de glissement du plan interfacial 3C/2H. D’après ces résultats, la transformation de phase serait compatible avec un mécanisme de relaxation plastique via la formation des bandes de cisaillement [5-5-2](1-15)2H. Nous avons réalisé des mesures Raman sur nanofil unique de Ge- et Si-3C/2H pour caractériser les modes de phonons optiques. Dans le Ge, nous avons détecté deux pics à 288 cm−1 et 301 cm−1 attribués aux modes E2g et F2g + E1g + A1g. Dans le Si, nous avons observé trois pics à 498, 515 et 520 cm−1 respectivement associés aux modes E2g, E1g et A1g + F2g. Ces valeurs coïncident avec les calculs reportés. Nous avons également mesuré les largeurs de bandes interdites dans les nanofils de Ge-3C/2H par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier : nous avons obtenu un gap direct à 0,58 eV attribué à la phase 2H et un gap indirect à 0,72 eV qui proviendrait vraisemblablement de la phase 3C. Ces valeurs constituent les premières mesures expérimentales du gap de la phase 2H et vont dans le sens des calculs théoriques qui prédisent un gap étroit et direct.

    La phase 2H peut aussi être obtenue dans le massif de Si et Ge après décompression dans une cellule à enclumes de diamant menant à la phase BC8 qui se convertit à température ambiante (dans le Ge) ou à chaud (dans le Si) en phase 2H. Afin de comparer les propriétés du massif, nous avons réalisé des mesures in-situ par spectroscopie Raman et par diffraction des rayons X dans le massif en étudiant différents chemins de décompression. A température ambiante, nous obtenons soit la phase Ge-ST12, soit un mélange des phases Ge-ST12 et Ge-BC8 en fonction de la vitesse de décompression. La nucléation de la phase 2H est donc complexe car elle dépend fortement du chemin de décompression et des conditions hydrostatiques dans la cellule. Ces études révèlent de plus un effet de taille. Dans les nanofils de Ge, nous observons après décompression un retour vers la phase 3C avec une composante amorphe. Les mesures in-situ du gap dans le Ge massif et les nanofils de Ge en fonction de la pression confirment cet effet de taille. Après décompression dans le Ge massif, nous obtenons un gap direct égal à 0,53 eV et un gap indirect valant 0,73 eV. Ces valeurs sont liées à la structure de bandes de la phase Ge-ST12 et s’accordent avec les récents résultats reportés. La mesure dans les nanofils de Ge-3C présente un comportement d’hystérésis, avec le retour vers le gap initial après décompression.

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    03/2018

    Single photon generation and manipulation with semiconductor quantum dot devices


      Lorenzo De Santis.

    Composition du jury :

    Rapporteur : Fabio Sciarrino - La Sapienza University, Rome                   

    Rapporteur : Julien Claudon - CEA, Institut Nanosciences et Cryogenie    

    Examinateur : Antoine Browaeys - Laboratoire Charles Fabry                     

    Examinateur : Wolfgang Löffler - Leiden University                                    

    Examinatrice : Eleni Diamanti - Université Pierre et Marie Curie                  

    Directrice de thèse : Pascale Senellart - CNRS-C2N                                          

     

     

    Abstract:

    Single photons play a central role as quantum information carriers in quantum networks to connect distant nodes. A promising approach is the realization of efficient atom-cavity interfaces, which allows the deterministic and reversible transfer of information between the flying photons and the stationary atomic quantum bit. In this work, we use light-matter interfaces based on a single semiconductor quantum dot, acting as an artificial atom, deterministically coupled to a micropillar cavity. We show that such a device is both an efficient emitter and receiver of single photons, and can be used to implement basic quantum functionalities.

    First, the device is shown to act as a source of single photons, which allows the generation of highly indistinguishable photons with a record brightness. These single-photon sources are then used to investigate path-entangled N00N states and propose a new tomographical method. And finally, we observe optical nonlinearities at the single photon level, and we demonstrate the filtering of single photon Fock states from classical incident light pulses.

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    02/2018

    (in french) Apprentissage local avec des dispositifs de mémoire hautement analogiques


      Christopher Bennett.

    (in french)

    Dans la prochaine ère de l'informatique distribuée, les ordinateurs inspirés par le cerveau qui effectuent des opérations localement plutôt que dans des serveurs distants seraient un avantage majeur en réduisant les coûts énergétiques, en réduisant l'impact environnemental. Une nouvelle génération de dispositifs de mémoire non volatile émergents est un candidat de premier plan pour réaliser cette vision neuromorphique. En utilisant des travaux théoriques et expérimentaux, nous avons montré que la réalisation physique efficace d'architectures de réseaux de neurones artificiels (ANN) modernes utilisant des dispositifs de mémoire émergents (nanodispositifs memristifs) devrait maximiser autant que possible les capacités intrinsèques de ces dispositifs, et aussi, être conscient de leurs limites physiques. À cette fin, une considération majeure a été la conception ou l'optimisation d'architectures qui résistent ou même exploitent ces limitations naturelles. Trois lignes d'exploration ont soutenu ce thème. Tout d'abord, une nouvelle variété de dispositif de mémoire redox polymère a été caractérisée et des modèles compacts simples ainsi que complexes ont été développés pour évaluer ses propriétés uniques dans un environnement de circuit. Surtout, nous avons théoriquement et expérimentalement montré la compatibilité de ce nouvel appareil excitant avec un algorithme d'apprentissage clé qui permet un calcul évolutif dans l'environnement 'crossbar' ultra-dense. Dans notre travail expérimental, nos dispositifs

    https://adum.fr/as/detailSout.pl?provenance=etab

    1/2

    1/31/2018 Detail de la soutenance

    organiques se sont adaptés avec succès et automatiquement en tant que portes logiques reconfigurables en coopérant avec une neurone digital et programmable (FGPA). En outre, nous avons imaginé des expériences d'apprentissage plus complex, notamment avec des chiffres manuscrits M-NIST. Dans le contexte de ces tâches, les limitations critiques des dispositifs, telles que le comportement asymétrique entre les modes de conductance, doit être pris en compte. Notamment, nous proposons deux modes d'apprentissage. Deuxièmement, nous avons considéré une variété de systèmes de réseau neuronal memristive plus grand (multicouche). Nous avons développé et simulé des variantes de projection aléatoire (NoProp) et de backpropagation qui utilisent deux crossbars. Ces systèmes d'apprentissage locaux ont de nouveau montré des dépendances critiques sur les contraintes physiques de les nanodispositifs; notamment, la richesse analogique et la non-linéarité. En effectuant une série de tâches de référence et en considérant de manière exhaustive ces paramètres, nous avons découvert des compromis non évidents entre l'efficacité de ces algorithmes d'apprentissage dans le contexte des systèmes émergents d'apprentissage de la mémoire non volatile. Notamment, nos résultats ont mis en évidence que les systèmes de projection aléatoire apprennent rapidement par rapport aux systèmes d'apprentissage avec rétropropagation; Cela économise du temps et de l'énergie. Enfin, nous avons examiné comment les conceptions ANNs feed-forward peuvent être modifiées pour exploiter les effets temporels. Nous nous sommes concentrés en particulier sur l'amélioration de la bio-inspiration et des performances du système NoProp, et avons considéré deux améliorations majeures. Dans le premier cas, nous avons amélioré la performance des architectures à poids aléatoire standard avec de effets de plasticité dans la première couche; ces effets ont été obtenus en utilisant un nanodispositif ionique à l'argent avec un comportement de transition de plasticité intrinsèque. Dans la seconde, nous avons amélioré l'intelligence du sous-système de couche cachée afin d'augmenter la précision et la vitesse du système d'apprentissage sur puce. Dans tous ces systèmes, nous avons toujours considéré l'impact des effets non idéaux tels que la variabilité inter-dispositifs, et les canaux d'entrée corrompus (bruit). Selon le système proposé, ils étaient immunisés, très ou plutôt résilients à ces effets.

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    01/2018

    (in french) Développement de méthodes ex-situ de dopage de nanofils Semiconducteurs IV


      Mariam Fakhfakh.

    (in french)

    Composition du jury proposé

     

    Rapporteur                M. Stéphane GRAUBY              LOMA
    Rapporteur                M. Michel GENDRY                 INL

    Examinateur             M. Georges BREMOND            INL

    Examinateur             M. Vincent SALLET                  GEMaC

    Examinateur             M. Denis MENCARAGLIA      GeePS

    Examinateur             M. Laurent PICHON                  IETR

    Directeur de thèse    Mme. Laetitia VINCENT           C2N

    Co-encadrant            M. Daniel BOUCHIER              C2N

     

     

    Résumé

     

    L’objet de cette thèse est d’étudier le dopage ex-situ de nanofils semiconducteurs IV pour des applications en électronique, spintronique ou encore thermoélectricité. Deux techniques de dopage ont été explorées : l’implantation par faisceaux d’ions et le Spin-On-Doping (SOD).

    L’implantation d’ions Mn a été testée dans les nanofils de Ge avec l’objectif de synthétiser un matériau semiconducteur ferromagnétique dilué. Une concentration en Mn de quelques pourcents peut être atteinte sans amorphisation du fil ni formation de précipités, ce qui est très encourageant. Lors d’expériences d’implantation réalisées in situ dans un microscope électronique en transmission, une forte exaltation de la pulvérisation sous irradiation électronique a été constatée.

    La technique SOD consiste à faire diffuser thermiquement les impuretés de type p ou n contenues une résine de type HSQ (Hydrogen silsesquioxane) qui enrobe les nanofils. Le recuit de la HSQ (dopée ou non) engendre une modification structurale des nanofils (bien que cette technique soit considérée comme non destructive). Lors du recuit, une transformation partielle de la phase diamant 3C vers la phase hexagonale 2H, a en effet été observée dans les nanofils de Si et de Ge, au-delà de 500 et 400°C respectivement. Les paramètres essentiels de la transformation de phase sont la contrainte de cisaillement résultant de la densification de la résine et le budget thermique. Les nanofils de Ge deviennent amorphes au-delà de 650°C, ce qui interdit en pratique leur dopage par SOD.

    Les caractérisations électriques ont été réalisées sur des nanofils de Si réalisés par gravure ionique réactive sur substrats orientés (111) et contactés en matrice ou individuellement. Pour le contactage de nanofils uniques en configuration NW FET (nanowire field effect transistors), un procédé technologique basé sur la lithographie électronique a dû être développé. Les difficultés à surmonter étaient relatives à la faible longueur des nanofils. Diverses techniques de caractérisation ont été mises en œuvre (I-V en configuration verticale ou horizontale de type TLM (Transient Linear Measurement), SSRM (scanning spreading resistance microscopy), EBIC (electron beam induced current)). Les mesures collectives concernent des ensembles de nanofils de type p enrobés dans une résine qu’elle soit dopante ou non. Pour observer un courant notable dans la structure, un recuit est nécessaire. Au-delà d’une température de recuit de 600°C, une polarisation négative du substrat induit un comportement conforme au mécanisme SCLC (space charge limited current) attendu pour des nanofils faiblement dopés enrobés dans une matrice isolante. En positif, on observe une caractéristique I(V) ohmique et une densité de courant jusqu’à 500 fois plus élevée dans les nanofils que dans le substrat. Ce comportement pourrait être dû à l’influence des états d’interface provenant de la technique de gravure. Cette hypothèse est confortée par le fait qu’après recuit à 900°C, le courant en direct s’explique en considérant dans les fils un dopage proche de celui du substrat, et surtout par l’observation en SSRM d’une couche conductrice interfaciale entre fils et HSQ. Elle permet aussi d’interpréter les mesures sous pointes faites sur les fils de type n. Le mode de transport SCLC a également été observé pour des nanofils individuels contactés sous pointes ou par lithographie. Ces mesures n’ont pas mis directement en évidence l’influence de la transformation de phase.

         Le dopage de type n ou p par SOD s’avère efficace après recuit à 900°C. Dans ce cas, les comportements observés, contacts ohmiques et jonctions p-n, peuvent être interprétés plus simplement en considérant des niveaux de dopage supérieurs à 3×1016 cm-3 en type p et 2×1016 cm-3 en type n. Ces valeurs déduites des résistivités mesurées sont sans doute très sous-estimées.

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HdR defense

  • 20

    06/2018

    Noise, chirality, and chaos in the dynamics of magnons and magnetic solitons


      Joo- Von KIM.

    Composition du jury proposé

     

    Hans-Benjamin BRAUN – Rapporteur – University College Dublin

    Ursula EBELS – Rapporteur – Spintec, Grenoble

    Jan VOGEL – Rapporteur – Institut Néel, Grenoble

    Claude CHAPPERT – Examinateur – Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Orsay

    Thibaut DEVOLDER – Examinateur – Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Orsay

    Eric FULLERTON – Examinateur – University of California at San Diego

    Claudio SERPICO – Examinateur – Università di Napoli "Federico II"

    André THIAVILLE – Examinateur – Laboratoire de Physique des Solides, Orsay

     

     

    Résumé

    Nanoscale magnetism offers a rich playground for studying nonlinear phenomena. I will discuss work I have undertaken on the stochastic theory of spin-torque nano-oscillators, nanocontact vortex oscillators including chaotic phases, channelling and nonreciprocal spin wave propagation in chiral systems, thermally-driven domain wall processes, and skyrmion dynamics. I conclude with some perspectives that follow from this research, namely chaos-based information processing, time-delay phenomena in micromagnetism, and stochastic processes in chiral magnets.

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  • 15

    03/2018

    On-Chip Micro/nanorobotic Swimmers Toward Biological Applications


      Gilgueng Hwang.

    Rapporteurs :

    Peer Fischer, Max Planck Institute, Germany

    Abdul Barakat, LadHyX, CNRS, Ecole Polytechnique, Palaiseau

    Catherine Villard, IPGG, CNRS, Université Paris Sciences et Lettres

     Examinateurs :

    Isabelle Sagnes, C2N, CNRS, Université Paris-Saclay, Marcoussis

    Anne-Marie Haghiri-Gosnet, C2N, CNRS, Université Paris-Saclay, Marcoussis

    Giulia Manina, Institut Pasteur, Paris

    Séverine Le Gac, University of Twente, The Netherlands

     Résumé :

    Micro/nanorobotic swimmers can serve as alternative microfluidic tools toward biologic or biomedical applications. We aim to develop highly energy efficient and fully controllable on-chip micro/nanorobotic swimmers with remote controlled functions such as cargo transport and sensing. In this presentation, I will introduce our recently developed micro/nanorobotic swimmers including their fabrications by two-photon laser 3D nanolithography, force characterizations and their microfluidics applications. Two applications to simulate their future in-vivo and lab-on-a-chip applications are demonstrated. First, the micro/nanorobotic swimmer serves as mobile micromanipulator inside microfluidic device to transport microscale objects. Second, we demonstrate their physical sensing applications inside microfluidic control platform.

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