Transfert de spin et dynamique de l'aimantation

Spin transfer and magnetization dynamics

• Auteur / Autrice : Benoit Montigny
• Direction : Jacques Miltat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spin

Mots clés libres

Micromagnétisme

Macrospin

Nanopilier

Etats de précession

Résumé

Nous présentons, au moyen de simulations numériques, une analyse de la dynamique de l’aimantation dans une nano-structure soumise au transfert de spin. Nous nous sommes intéressés aux états de précession entretenus par le courant dans un nano-pilier. Deux types de calculs ont été effectués, les uns basés sur l’hypothèse macro-spin, les autres dans le cadre micro-magnétique. Dans le premier cas, les simulations décrivent correctement les états excités lorsque la polarisation des électrons et le champ appliqué sont alignés avec du nano-pilier. Nous retrouvons le régime de renversement hystérétique et le régime où sont observés des états de précession de grand angle. Le comportement calculé dans le modèle micro-magnétique est similaire. Il révèle cependant que la distribution d’excitation est homogène à bas courant, et qu’elle correspond aux modes propres de la couche libre. Le régime de précession dans le plan est relativement uniforme, tandis que le régime hors du plan est très désordonné. Nous avons également examiné des systèmes où la polarisation et le champ ne sont pas alignés. Les calculs micro-magnétiques montrent que les sauts de fréquence correspondent à des changements de la distribution d’excitation. La cohérence très prononcée des oscillations ne saurait être compris dans le modèle macro-spin. Par ailleurs le comportement de la largeur de raie au voisinage du seuil d’excitation des états de précession est cohérente avec les expériences. Nous proposons un modèle analytique prédisant le profil lorenzien des pics et la dépendance linéaire en fonction de la température de la largeur calculée numériquement, même si la comparaison aux mesures reste délicate.

We present a detailed analysis of the magnetization dynamics in nano-structures when subjected to spin torque using numerical simulations. We focus on current-induced precession states in spin-valve nano-pillars. Two types of calculations have been done, one based on the macro-spin model and the others in the micro-magnetic framework. In the first case, simulations predict correctly excited states when spin polarization and applied field directions are aligned with the pillar long axis. We find the two regimes described in the literature : hysteric switching and precession states stabilized above a current threshold. The motion of the average magnetization calculated in micro-magnetic simulations is similar. We reveal that excitation distribution in the free layer is inhomogeneous at low current, corresponding to the eigen-modes of the system. In plane precession regime is quite uniform, whereas out-of-plane precession states are highly disordered. We have also examined system where electron spin-polarization and applied field directions are not aligned. Micro-magnetic simulations show that frequency jumps as a function of current correspond to abrupt changes in excitation distribution. These modes are markedly more localized than in the axial case and the resonance peaks are much narrower. Long-term coherence of the oscillations can not be understood in the single-domain model. We compute peak line-widths near the critical current for sustained precession, results being in good agreement with literature. We present a simple model that explains both the lorentzian peak profile and the linear dependence if width as a function of temperature observed in calculations.