Dynamique par transfert de spin et synchronisation d’oscillateurs couplés à base de vortex magnétiques

Spin transfer induced dynamics and synchronization of magnetic vortex based coupled oscillators.

• Auteur / Autrice : Nicolas Locatelli
• Direction : Vincent Cros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/12/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique de la région parisienne (....-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Bournel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Cros, Arnaud Bournel, Russel Cowburn, Ursula Ebels, Olivier Klein, André Thiaville, Julie Grollier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Russel Cowburn, Ursula Ebels

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Ordinateurs -- Mémoires magnétiques

Synchronisation

Oscillateurs radiofréquences

Transfert de spin

Spintronique

Mots clés libres

Electronique de spin

Transfert de spin

Vortex magnétique

Oscillateurs hyperfréquences

Synchronisation

Mémoires magnétiques

Nanotechnologie

Spintronics

Spin transfer

Magnetic vortex

Microwave oscillators

Synchronization

Magnetic memory

Nanotechnology

Résumé

Le sujet de cette thèse concerne la dynamique auto-entretenue excitée par transfert de spin de vortex couplés, dans des structures de type nano-piliers vannes de spin (Py/Cu/Py). Un premier objectif a été de comprendre les processus de transport polarisé en spin et de transfert de spin associés à des configurations d’aimantation fortement non-homogènes. Cette étude a permis d‘identifier et ainsi de précisément contrôler les configurations magnétiques à base de vortex, et en particulier d’observer l’influence du transfert de spin sur les mécanismes de renversement du cœur de vortex. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, nous avons également pu déterminer les conditions sur les paramètres relatifs des deux vortex (chiralités et polarités) pour obtenir des oscillations gyrotropiques couplées auto-entretenues de deux vortex dans un pilier unique. Un cas très intéressant est prévu pour les piliers de plus grands diamètres (typiquement supérieurs à 200nm) pour lesquels le courant critique est réduit potentiellement à zéro. Les résultats expérimentaux confirment les prédictions sur l’existence d’une dynamique couplée de vortex, avec des largeurs de raies atteignant 200kHz, un record à champ nul (soit un facteur de qualité Q ≈ 5000, un ordre de grandeur plus grand que pour les auto-oscillations de vortex unique) et diminuant même jusqu’à 50kHz sous champ extérieur. Un second objectif de ce travail a été l’étude de la synchronisation de deux auto-oscillateurs à transfert de spin à base de vortex. Nous avons démontré que le verrouillage des phases par couplage dipolaire de deux oscillateurs identiques peut être théoriquement obtenu indépendamment des paramètres des deux vortex. Toutefois un couplage trois fois plus important est prévu dans le cas de vortex de polarités opposées. Du point de vue expérimental, des premiers résultats ont permis de démontrer une faculté de synchronisation de deux oscillateurs présentant un écart en fréquence atteignant jusqu'à 10% de leurs fréquences d'auto-oscillation. Ce travail de thèse, qui s’inscrit dans l’effort de recherche mené pour améliorer les performances rf des nano-oscillateurs à transfert de spin, a permis d’illustrer que l’excitation de modes d’aimantations couplées est une voie à poursuivre dans le but d’aboutir à des largeurs de raies de plus en plus faibles.

My PhD work is dedicated to the spin transfer induced self-sustained dynamics of two coupled vortices, in nano-pillars spin-valves structures (Py/Cu/Py). A first objective was to understand the spin-polarized transport processes as well as spin transfer mechanisms associated to highly non-homogeneous magnetic configurations. This study allows me to identify and then precisely tune the vortex based magnetic configurations, and notably to observe the influence of spin transfer on reversal mechanisms of the vortex core. Combining analytical calculations and micro-magnetic simulations, we determine the conditions on relative parameters for the two vortices (chiralities and polarities) necessary to obtain self-sustained gyrotropic oscillations of the coupled vortices in a single pillar. A very interesting case is predicted for the pillars with larger diameters (typically over 200nm) for which the critical current is reduced to zero. The experimental results confirm the predictions that a coupled dynamics exists with linewidths as narrow as 200kHz, that is a record at zero field (corresponding to a quality factor Q ≈ 5000, an order of magnitude over the self-sustained oscillations of a single vortex), and even down to 50kHz under external field.A second objective was to investigate the synchronization of two vortex based spin transfer oscillators. We demonstrate theoretically that the phase locking through dipolar coupling of two identical oscillators can be achieved for any parameters of the two vortex. However, the coupling is three times stronger when vortices have opposite core polarities. From an experimental point of view, the synchronization capability for two oscillators having a frequency mismatch reaching up to 10 % of the auto-oscillation frequency has been demonstrated. This work, being part of the research effort made to improve the rf properties of spin transfer nano-oscillators emphasizes how the excitation of coupled magnetizations modes is important to reach lower and lower linewidths.