Modélisation par éléments finis des dispositifs pour la spintronique : couplage auto-cohérent des équations du micromagnétisme et du transport dépendant du spin

Finite element modeling of spintronics devices : self-consistent coupling of micromagnetism and spin-dependent transport equations

• Auteur / Autrice : Magali Sturma
• Direction : Jean-Christophe Toussaint, Daria Gusakova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 09/10/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....) - Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....) - Institut Néel
• Jury : Président / Présidente : Olivier Fruchart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daria Gusakova, Jean- Christophe Toussaint, Yves Henry, François Alouges
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Mangin, André Thiaville

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Simulation par ordinateur

Spintronique

Mots clés libres

Electronique de spin

Modélisation par éléments finis

Dynamique d’aimantation

Modèles de transport dépendant du spin

Micromagnétisme

Parois de domaines

Spintronics

Finite element modeling

Magnetizations dynamics

Spin dependent transport models

Micromagnetics

Domain walls

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'électronique de spin et traite plus particulièrement de l'interaction réciproque entre un courant polarisé en spin et l'aimantation des structures magnétiques. Au cours de ce travail, les équations du transport diffusif dépendant du spin ont été couplées de façon auto-cohérente à l'équation de la dynamique d'aimantation dans l'approche micromagnétique au sein du code éléments finis. Cet outil numérique est appliqué à l'étude de la dynamique de parois de domaines dans différentes géométries sous l'action d'un courant polarisé. Il a permis de mettre en évidence plusieurs nouveaux phénomènes liés à l'interaction mutuelle entre l'aimantation et les spins des électrons. Pour des rubans à section rectangulaire, l'impact de cette interaction, habituellement négligée dans les modèles simplifiés, est quantifié via le calcul de la vitesse de déplacement de parois et du courant critique de Walker. Ces paramètres ont été étudiés en fonction de la largeur de paroi, du courant appliqué et des longueurs caractéristiques du transport polarisé en spin. L'augmentation du paramètre de non-adiabaticité du système, liée à l'augmentation du gradient d'aimantation ainsi qu'à une forte non-localité du modèle couplé, a été démontrée. Pour des fils à section circulaire et à diamètre modulable, une contribution supplémentaire à la non-adiabaticité du système liée, à la géométrie confinée, a été mise en évidence. Puis, les différents régimes dynamiques ainsi que les conditions de dépiégage de la paroi ont été caractérisés en fonction de la taille de constrictions.

In the context of spintronics this thesis studies the mutual interaction between a spin polarised current and the magnetization of magnetic structures. During this work, the diffusive spin transport equations were coupled in a self-consistent manner with the magnetization dynamics equations in the micromagnetic approach in our homemade finite element code. This numerical tool applied to the study of domain walls dynamics in different geometries under the action of spin polarized current highlighted several new phenomena related to the mutual interaction between the magnetization and the spins of electrons. For rectangular cross section stripes, the impact of this interaction, usually neglected in simplified models, is quantified by the computation of the domain wall velocity and the Walker critical current. These quantities were studied as a function of the domain wall width, the applied current, and the spin polarised transport characteristic lengths. Increasing the non-adiabatic parameter of the system related to the increase in the magnetization gradient and a strong non-locality of the coupled model was demonstrated. For circular cross section wires with a modulated diameter, an additional contribution to the non-adiabaticity of the system related to the confined geometry is highlighted. Then the different dynamic regimes and domain wall unpinning conditions are characterised according to the constriction size.