Étude de la dynamique de paroi de domaine magnétique dans des matériaux à fort couplage spin orbite PDF Download
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Dans cette thèse, nous avons étudié la dynamique des parois de domaine sous courant dans des couches ferromagnétiques ultra-minces de type métal lourd/ métal ferromagnétique/ oxyde présentant un fort couplage spin-orbite. Dans ces systèmes, deux éléments liés au fort couplage spin-orbite et l'asymétrie structurelle d'inversion jouent un rôle clé sur la dynamique des parois : d'une part, l'amplitude des couples de spin-orbite (SOT) exercés sur la paroi lors de l'injection de courant; d'autre part, l'amplitude de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya qui stabilise la structure Néel interne de la paroi. L'objectif de ce travail a été de caractériser les couples agissant sur la paroi induits par le courant ainsi que l'amplitude de l'interaction DMI.Pour y parvenir, j'ai mis au point une nouvelle technique de mesure basée sur la mesure des déplacements nanométriques induits par le courant d'une paroi piégée dans un nanoplot découpé dans le matériau magnétique. Cette mesure quasi-statique permet de s'affranchir des difficultés liées à la modélisation de la dynamique des parois magnétique sous courant en présence de défauts.Par ailleurs, le dispositif a été conçu de façon à ce que le courant et le champ magnétique externe statique puissent être appliqués dans différentes directions orthogonales, ce qui permet séparer clairement les contributions des couples de transfert de spin (NA-STT) et de spin-orbite (DL-SOT).Les mesures ont permis de caractériser le couple exercé sur la paroi par le courant en fonction d'un champ magnétique planaire pour un empilement Pt/Co/AlOx et ceci pour quatre orientations champ/courant différentes. Les résultats permettent d'écarter l'hypothèse d'une structure de type Bloch bi-stable.Dans le cas où le courant est injecté au travers de la paroi, la comparaison des résultats avec le modèle aboutit à une valeur du couple NA-STT très faible. Nos mesures faites avec le champ magnétique planaire permettent de conclure à un champ SOT de 7,5+/-0,5 Oe pour 10 MA/m2 en accord avec les résultats de couple publiés précédemment dans le cas d'une paroi de Néel. Si les deux configurations donnent de mesures de couple SOT similaire, elles ne permettent pas de conclure sur la valeur de DMI dans ce système. L'origine de ces valeurs contradictoires reste à expliquer.
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Dans cette thèse, nous avons étudié la dynamique des parois de domaine sous courant dans des couches ferromagnétiques ultra-minces de type métal lourd/ métal ferromagnétique/ oxyde présentant un fort couplage spin-orbite. Dans ces systèmes, deux éléments liés au fort couplage spin-orbite et l'asymétrie structurelle d'inversion jouent un rôle clé sur la dynamique des parois : d'une part, l'amplitude des couples de spin-orbite (SOT) exercés sur la paroi lors de l'injection de courant; d'autre part, l'amplitude de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya qui stabilise la structure Néel interne de la paroi. L'objectif de ce travail a été de caractériser les couples agissant sur la paroi induits par le courant ainsi que l'amplitude de l'interaction DMI.Pour y parvenir, j'ai mis au point une nouvelle technique de mesure basée sur la mesure des déplacements nanométriques induits par le courant d'une paroi piégée dans un nanoplot découpé dans le matériau magnétique. Cette mesure quasi-statique permet de s'affranchir des difficultés liées à la modélisation de la dynamique des parois magnétique sous courant en présence de défauts.Par ailleurs, le dispositif a été conçu de façon à ce que le courant et le champ magnétique externe statique puissent être appliqués dans différentes directions orthogonales, ce qui permet séparer clairement les contributions des couples de transfert de spin (NA-STT) et de spin-orbite (DL-SOT).Les mesures ont permis de caractériser le couple exercé sur la paroi par le courant en fonction d'un champ magnétique planaire pour un empilement Pt/Co/AlOx et ceci pour quatre orientations champ/courant différentes. Les résultats permettent d'écarter l'hypothèse d'une structure de type Bloch bi-stable.Dans le cas où le courant est injecté au travers de la paroi, la comparaison des résultats avec le modèle aboutit à une valeur du couple NA-STT très faible. Nos mesures faites avec le champ magnétique planaire permettent de conclure à un champ SOT de 7,5+/-0,5 Oe pour 10 MA/m2 en accord avec les résultats de couple publiés précédemment dans le cas d'une paroi de Néel. Si les deux configurations donnent de mesures de couple SOT similaire, elles ne permettent pas de conclure sur la valeur de DMI dans ce système. L'origine de ces valeurs contradictoires reste à expliquer.
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L'étude du déplacement des parois de domaines magnétiques au moyen d'un courant électrique, par couple de transfert de spin, a généré beaucoup d'intérêt ces dernières années, notamment depuis que de nouveaux dispositifs de mémoires magnétiques utilisant cet effet ont été proposés. Récemment, un nouveau mécanisme capable de propager les parois sous courant avec une grande efficacité a été mis en évidence dans les matériaux tri-couches à anisotropie perpendiculaire et à fort couplage spin-orbite. La compréhension de ce mécanisme, appelé couple de spin-orbite, reste néanmoins loin d'être acquise, tout comme son effet sur la propagation des parois de domaines.L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier l'influence de ce couple de spin-orbite sur la dynamique des parois. Pour cela, j'ai étudié expérimentalement le déplacement de paroi sous l'action d'un courant et d'un champ magnétique dans une tri-couche de Pt/Co/AlOx en présence d'un champ magnétique planaire, utilisé pour modifier la structure interne de la paroi et ainsi moduler l'action du couple de spin-orbite sur la dynamique de celle-ci. Ce travail a permis de mettre en évidence l'existence d'un effet asymétrique dans la dynamique de la paroi pour ce type de système.Pour expliquer ce résultat, nous avons proposé une nouvelle structure de paroi dans les matériaux ultra-minces à anisotropie perpendiculaire, résultant de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, la dynamique d'une telle paroi a été étudiée et comparée aux résultats expérimentaux. Enfin, toujours dans le but d'expliquer l'effet asymétrique observé expérimentalement, une seconde interprétation basée sur la présence d'un mécanisme d'amortissement anisotrope a également été proposée.
Author: Ioan Mihai Miron Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 159
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By studying the spin transfer torque and domain wall dynamics in materials exhibiting a strong perpendicular magnetic anisotropy, we have shown that the spin-orbit interaction plays an important role in the anatomy of the spin transfer torque. The detailed understanding of the magnetic interaction between the conduction and localized electrons, which is producing the spin transfer torque, can not be accomplished without the study of their interaction with the surrounding crystal lattice. Namely, after the developing a novel technique that allowed the first quantitative spin torque measurement in domain walls, we have applied it to two different classes of materials (Pt/Co/Pt and Pt/Co/AlO). The important discrepancy between the measured spin-torque efficiencies was understood in terms of spin-orbit interaction. Using the same two classes of materials, the study of the domain wall dynamics under magnetic field and electric current pulses offered an additional point of view and supplementary information on the importance of the spin-orbit interaction.
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Cette thèse a pour objectif l'étude des parois de domaines magnétiques, et plus généralement des textures magnétiques, dans des nanostructures. Ce travail est motivé par le couplage entre les électrons responsables du magnétisme et ceux de la conduction électrique, appelé transfert de spin, qui donnent lieu à la dynamique de parois de domaines sous courant de spin. La connaissance du comportement dynamique et des caractéristiques statiques de telles structures est alors indispensable. L'outil principalement utilisé dans de ce travail est la microscopie à force magnétique, et ce présent dans l'ensemble des sujet abordés. L'étude principale de ce travail concerne la mise en évidence expérimentale de l'automouvement de paroi dans des nanopistes de NiFe. Nous avons montré ce phénomène dans le cas d'une transformation de parois puis analysé l'importance qu'il a pour la dynamique des parois dans le cas général aux impulsions courtes. Les propriétés statiques ont aussi été étudiées par des mesures de magnétorésistance anisotrope pour des parois soumises à un champ magnétique tournant quasi-statique. Finalement, l'aspect "nouveaux matériaux" étant un des grands axes de recherche concernant le transfert de spin, une troisième partie a été consacrée à l'étude de la distribution d'aimantation complexe des nanostructures de NiPd. Pour tous les sujets abordés dans ce travail, des calculs micromagnétiques ont été effectués pour appuyer notre compréhension.
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La distribution électronique n’est pas à l’équilibre thermodynamique avec les ions, la relaxation avec le réseau s’opérant en quelques picosecondes grâce au couplage électron-phonon. L’échange d’énergie entre électrons et ions peut alors être décrit par un modèle à deux températures dans lequel les températures électronique et ionique dépendent du temps. Dans cette première approche, les aspects dynamiques sont donc modélisés en utilisant des concepts de mécanique statistique à l’équilibre thermodynamique. Dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle locale de la densité de spin (DFT-LSDA) à température finie et de l’ensemble grand canonique [43], nous avons étudié les propriétés magnétiques de petites particules métalliques à couches ouvertes constituées d’éléments qui, dans la matière infinie, ne sont pas magnétiques (comme les métaux nobles Ag, Au ou le Pt). Comme pour les matériaux ferromagnétiques massifs, ces nano objets subissent une transition de phase ferromagnétique-paramagnétique du second ordre à une température critique qui dépend fortement des corrélations électroniques et de la taille des nanoparticules. Nous avons montré que la susceptibilité magnétique obéit à la loi de Curie-Weiss. Ce résultat est du à la taille finie du système qui possède un spectre discret de niveaux électroniques et est en accord avec des mesures récentes effectuées sur des agrégats de platine triés en masse [109]. Ainsi, quand la température électronique augmente brutalement, l’aimantation diminue. Puis, grâce au couplage électron-phonon l’énergie thermique est redistribuée sur le réseau, faisant à son tour diminuer la température électronique et permettant ainsi la réapparition de l’aimantation. Cette analyse est conforté par quelques résultats expérimentaux tel que le fait que la désaimantation est plus ou moins prononcée en fonction de la température de Curie du matériau [130]. Après avoir développé la théorie de la réponse linéaire appliquée à la LSDA-DFT, nous mettons en évidence la signature d’une transition de phase ferromagnétique-paramagnétique sur les spectres optiques de nanoparticules. Toutefois, ce modèle n’est que qualitatif. En effet, les mécanismes qui sont à l’origine du phénomène de désaimantation sont cachés par le traitement statistique du problème. Le moment magnétique de spin (qui, pour les métaux, constitue l’essentiel de l’aimantation du système) peut-être redistribué sur le moment orbital par le biais du couplage spin-orbite. Ce dernier est d’origine relativiste et doit être rajouté au Hamiltonien non-relativiste usuel décrivant l’interaction lumière-matière. Il y a quelques années, cette hypothèse avait déjà été évoquée par G. P. Zhang et W. Hübner [149] pour expliquer la désaimantation dans des films ferromagnétiques. Cependant, elle fut réfutée plus tard par B. Koopmans [131] ; les paramètres utilisés dans [149] ne sont pas compatibles avec ceux utilisés dans les expériences. Dans le but de nous faire notre propre idée sur la question d’une part, et d’autre part, afin d’étendre aux systèmes finis les études précédentes effectuées dans le massif, nous avons étudié l’effet du couplage spin-orbite sur la dynamique de spin dans xi des nanoparticules. A cette fin, toujours en se plaçant dans le cadre du modèle du jellium (hypothèse purement électronique), nous avons privilégié une approche du type TDDFT (Time Dependent Density Functionnal Theory) que nous avons complété par l’introduction du terme de couplage spin-orbite. Nous avons pu ainsi observer que le couplage spin-orbite est un bon mécanisme pour la désaimantation, mais qu’il n’est pas suffisant pour pouvoir expliquer les observations expérimentales. En effet, comme le confirme une publication récente [? ], la quantité de moment angulaire orbital n’est pas un bon réservoir pour absorber la quantité de moment angulaire de spin issue de la désaimantation. Néanmoins, s’il n’est pas suffisant pour expliquer la désaimantation, le mécanisme de spin-orbite est nécessaire comme nous l’expliquons dans la dernière partie. En outre, nous avons pu mettre en évidence le rôle important joué par la polarisation du pulse laser dans le processus de désaimantation. Ce dernier aspect a été très récemment confirmé expérimentalement [138]. Dans la dernière partie du manuscrit, nous proposons un mécanisme microscopique permettant d’aller au-delà du champ moyen et qui fait intervenir conjointement les collisions électrons-électrons, le couplage spin-orbite ainsi que la conservation du moment angulaire total. Un schéma algorithmique du modèle est proposé afin de permettre son implémentation dans une approche de type TDDFT. Nous pensons en effet, qu’une redistribution du moment angulaire induite par des collisions électroniques doit jouer un rôle crucial dans le phénomène de désaimantation et ceci d’autant plus que, (i) les températures électroniques atteintes lors de l’interaction avec le laser sont hautes et, (ii) le caractère fortement non linéaire des processus de collisions électroniques.
Author: Yann) Le Maho Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 155
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Cette thèse est consacrée à l’étude théorique du déplacement des parois magnétiques par l’injection d’un courant polarisé en spin. Le mécanisme mis en jeu est le transfert de spin et permet de manipuler l’aimantation sans recourir à un champ magnétique extérieur. Ce travail est motivé par la recherche du courant critique et est guidé par le modèle 1D de la dynamique des parois. L’injection de spin est d’abord décrite au-delà de la limite adiabatique pour tenir compte de la réflexion des électrons sur les parois, puis dans le régime diffusif pour prendre en considération des mécanismes de relaxation du spin. Enfin, la propagation des parois de domaine est étudiée au-delà de l’approximation des parois rigides, au moyen d’un développement de l’équation LLG autour de la solution statique. Nos modèles nous ont permis d’identifier différents régimes de propagation, de montrer que les collisions des électrons avec les impuretés statiques et les magnons contribuent à une force sur les parois et d’étudier le couplage entre les ondes de spin et les parois en mouvement.
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L'EFFET HALL EXTRAORDINAIRE (EHE) DESIGNE LA COMPOSANTE DE L'EFFET HALL QUI APPARAIT DANS LES METAUX FERROMAGNETIQUES. C'EST UN EFFET QUANTIQUE, ISSU DE L'INTERACTION SPIN-ORBITE ET DE LA POLARISATION DE SPIN DES ELECTRONS DE CONDUCTION. DANS UN FILM MINCE, L'EHE EST PROPORTIONNEL A LA COMPOSANTE PERPENDICULAIRE DE L'AIMANTATION. IL EST MAINTENANT RELATIVEMENT BIEN CONNU DANS LES MATERIAUX HOMOGENES. DANS LES MULTICOUCHES ALTERNANT COUCHES ULTRAMINCES METALLIQUES MAGNETIQUES ET NON MAGNETIQUES, MATERIAUX IMPORTANTS POUR LES APPLICATIONS, LE CALCUL EST RENDU TRES DIFFICILE PAR LA PRESENCE D'INTERFACES ET PAR LE FAIT QUE LE LIBRE PARCOURS MOYEN DES ELECTRONS EST COMPARABLE A L'EPAISSEUR INDIVIDUELLE DES COUCHES. DANS UNE PREMIERE PARTIE DE MON TRAVAIL DE THESE, J'AI DEVELOPPE LE PREMIER CALCUL DE L'EHE DANS DES MULTICOUCHES MAGNETIQUES, A PARTIR D'UN MODELE THEORIQUE PROPOSE EN PARALLELE PAR A. CREPIEUX ET P. BRUNO (MPI HALLE). NOS PREMIERS RESULTATS ONT VALIDE NOTRE APPROCHE EN RETROUVANT LES COMPORTEMENT DES MATERIAUX HOMOGENES. EN PARALLELE, J'AI UTILISE LA TRES GRANDE SENSIBILITE DE L'EHE POUR DETECTER LA PROPAGATION D'UNE PAROI DE DOMAINE MAGNETIQUE DANS UN FILM PT/CO/PT/AL 2O 3(0001). AUX EPAISSEURS DE CO INFERIEURES A 1.6 NM, CES FILMS ONT UN AXE DE FACILE AIMANTATION PERPENDICULAIRE. UNE PAROI DE DOMAINE, DE TYPE BLOCH, EST ALORS LARGE DE QUELQUES NANOMETRES ET SE COMPORTE GLOBALEMENT COMME UN NANOFIL ELASTIQUE SOUMIS A LA PRESSION EXERCEE PAR LE CHAMP MAGNETIQUE APPLIQUE. PAR EXEMPLE, NOUS AVONS MONTRE PAR DES MESURES D'EHE ET DE MICROSCOPIE MAGNETO-OPTIQUE (COL. J.P.JAMET, LPS ORSAY) QU'UNE PAROI UNIQUE, INJECTEE DANS UNE CROIX DE HALL GRAVEE (DIMENSIONS 0,5-2 M), REAGIT COMME UNE BULLE DE SAVON UNIDIMENSIONNELLE DANS UN ESPACE BIDIMENSIONNEL. AU DELA DE L'INTERET FONDAMENTAL POUR LA COMPREHENSION DES PROCESSUS DE RETOURNEMENT DE L'AIMANTATION, CES RESULTATS POURRAIENT TROUVER DES APPLICATIONS DANS DE NOUVEAUX TYPES DE CIRCUITS MEMOIRES OU LOGIQUES.
Author: David Beaujouan Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les propriétés magnétiques des matériaux sont fortement connectées à leur structure cristallographique. Nous proposons un modèle atomique de la dynamique d'aimantation capable de rendre compte de cette magnétoélasticité. Bien que ce travail s'inscrive dans une thématique générale de l'étude des matériaux magnétiques en température, nous la particularisons à un seul élément, le Cobalt. Dans ce modèle effectif, les atomes sont décrits par 3 vecteurs classiques qui sont position, impulsion et spin. Ils interagissent entre eux via un potentiel magnéto-mécanique ad hoc. On s'intéresse tout d'abord à la dynamique de spin atomique. Cette méthode permet d'aborder simplement l'écriture des équations d'évolution d'un système atomique de spins dans lequel la position et l'impulsion des atomes sont gelées. Il est toutefois possible de définir une température de spin permettant de développer naturellement une connexion avec un bain thermique. Montrant les limites d'une approche stochastique, nous développons une nouvelle formulation déterministe du contrôle de la température d'un système à spins.Dans un second temps, nous développons et analysons les intégrateurs géométriques nécessaires au couplage temporel de la dynamique moléculaire avec cette dynamique de spin atomique. La liaison des spins avec le réseau est assurée par un potentiel magnétique dépendant des positions des atomes. La nouveauté de ce potentiel réside dans la manière de paramétrer l'anisotropie magnétique qui est la manifestation d'un couplage spin-orbite. L'écriture d'un modèle de paires étendu de l'anisotropie permet de restituer les constantes de magnétostriction expérimentales du hcp-Co. En considérant un système canonique, où pression et température sont contrôlées, nous avons mis en évidence la transition de retournement de spin si particulière au Co vers 695K.Nous finissons par l'étude des retournements d'aimantation super-paramagnétiques de nanoplots de Co permettant de comparer ce couplage spin-réseau aux mesures récentes.
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Ce travail est consacré à l'étude expérimentale de l'origine de l'Effet Hall Anormal (EHA) et de la propagation d'une paroi de domaine. Pour cela, j'ai développé une technique de mesure basée sur l'effet Hall Anormal (EHA) qui a permis de suivre en temps réel la propagation d'une paroi magnétique dans des pistes submicroniques. La première partie est consacrée à étudier l'origine de l'EHA dans des films ultraminces de Pt/Co/Pt/Al2O3 à anisotropie magnétique perpendiculaire. En modifiant les propriétés structurales des interfaces par irradiation ionique, j'ai montré que la diffusion à la surface et aux interfaces sont les mécanismes dominants contribuant à l'EHA. En parallèle, j'ai utilisé l'EHA pour étudier la dynamique d'une paroi de domaine 1D dans des pistes submicroniques de largeur w0 gravées dans les films de Pt/Co/Pt/Al2O3. La vitesse de propagation de la paroi de domaine v(H) est fortement réduite lorsque w0 diminue et elle suit un comportement de reptation. Le champ critique effectif est proportionnel à 1/w0. Des mesures dans des pistes avec des défauts artifiellement contrôlés nous montrent que cet effet est du à la présence de la rugosité de bords de la piste introduite pendant les étapes de lithographie et de gravure. Un modèle théorique de reptation a été développé et il est en accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, dans la dernière partie, nous avons démontré que la dynamique de propagation de la paroi peut être fortement modifiée par l'irradiation.
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UNE ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DE LA DYNAMIQUE DES PAROIS A ETE EFFECTUEE DANS DES FILMS DE GRENAT FERRIMAGNETIQUES A ANISOTROPIE PERPENDICULAIRE EN FONCTION DE PARAMETRES PERTINENTS TELS QUE L'EPAISSEUR DU FILM OU UN CHAMP MAGNETIQUE SOIT EXTERIEUR, SOIT INTERNE INDUIT PAR UNE ANISOTROPIE ORTHORHOMBIQUE. UN MODELE DE PAROI 2D INTRODUISANT UNE DISTORSION AZIMUTALE DU PROFIL DE LA PAROI INDUITE PAR UN CHAMP DEMAGNETISANT INTER-DOMAINE CREE PAR LES CHARGES MAGNETIQUES EN SURFACE A ETE UTILISE. LES PROFILS STATIQUES ET DYNAMIQUES RESULTATS D'UNE COMPETITION ENTRE L'ENERGIE D'ECHANGE FAVORISANT UNE STRUCTURE DE BLOCH AU CENTRE DU FILM ET L'ENERGIE DEMAGNETISANTE INDUISANT UNE STRUCTURE DE NEEL PRES DES SURFACES, ONT ETE DETERMINES PAR RESOLUTION NUMERIQUE PAR LA METHODE DE NEWTON D'UNE EQUATION DIFFERENTIELLE QUE NOUS AVONS GENERALISEE A PARTIR DE L'EQUATION DE BASE PROPOSEE PAR SLONCZEWSKI. LES PROFILS DYNAMIQUES, LES MASSES EFFECTIVES, LES VITESSES CRITIQUES DE NUCLEATION DE LIGNE DE BLOCH HORIZONTALE ET LES VITESSES MAXIMALES DES PAROIS LEGERES ET LOURDES ONT ETE CALCULES POUR UN SYSTEME DE PAROIS ISOLEES PUIS PERIODIQUES. L'IMPORTANCE DE L'EPAISSEUR H DU FILM SUR CES STRUCTURES A ETE PRECISEE. LE COMPORTEMENT DYNAMIQUE DES PAROIS A ETE ANALYSE EXPERIMENTALEMENT A PARTIR DES MODES DE RESONANCE DES PAROIS EXCITES DANS DES FILMS DE GRENAT PRESENTANT UN CHOIX TRES LARGE DE LEURS PARAMETRES INTRINSEQUES, METTANT EN EVIDENCE UN EXCELLENT ACCORD ENTRE L'EXPERIENCE ET LE MODELE DE PAROIS 2D. DES FREQUENCES DE RESONANCE JUSQU'A 1.6 GHZ ONT ETE ENREGISTREES OUVRANT DES PERSPECTIVES D'ETUDE DE DYNAMIQUE DE PAROI DANS LA GAMME DES HYPERFREQUENCES. ENFIN, L'UTILISATION D'UNE TECHNIQUE DE DETECTION MAGNETO-INDUCTIVE TRES SENSIBLE A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE SANS AMBIGUITE LES MODES FLEXURAUX DES PAROIS QUI ONT ETE CONFRONTES AU MODELE THEORIQUE
Author: Alexandre Lopez
Author: Alexandre Lopez
Author: Emilie Jué
Author: Ioan Mihai Miron
Author: Jean-Yves Chauleau
Author: Emmanuel Maurat
Author: Yann) Le Maho
Author: JOERG.. WUNDERLICH
Author: David Beaujouan
Author: Fenglei Cayssol
Author: ABDELKADER.. SERRAJ