Mécanismes de synchronisation dans les oscillateurs à transfert de spin

Synchronization mechanisms of spin transfer oscillators

• Auteur / Autrice : Jérôme Hem
• Direction : Ursula Ebels, Liliana-Daniela Buda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 08/02/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Fruchart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grégoire de Loubens
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Vukadinovic, Julie Grollier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spintronique

Oscillateurs

Mots clés libres

Spintronique

Dynamique d'aimantation

Nanotechnologie

Synchronisation

Spintronics

Magnetization dynamcis

Nanotechnology

Synchronization

Résumé

L’auto-oscillateur à transfert de spin est un nano système dont la preuve de concept fut donnée au début des années 2000. Il possède un fort potentiel applicatif dans le domaine des sources microonde à fréquence variable. Ses avantages sont : une fréquence émise dans la gamme RF (f ≈ 200 MHz – 20 GHz), une haute accordabilité grâce à la non linéarité et la possibilité de s’intégrer avec les procédés de l’électronique traditionnelle. Néanmoins à cause de sa taille, l’oscillateur est fortement perturbé par l’agitation thermique et il faut chercher différentes stratégies pour augmenter sa cohérence spectrale. Une solution prometteuse est la synchronisation mutuelle d’oscillateur. Afin de définir les meilleurs schémas de synchronisation, il est important d’étudier et de caractériser la synchronisation à une source externe.Ce travail, d’ordre théorique, traite la synchronisation d’un oscillateur spintronique à un signal microonde. L’équation de mouvement de l’aimantation (équation de Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski) est transformée en une équation d’amplitude complexe, qui permet de traiter les différents mécanismes de synchronisation de manière unifiée. En particulier, nous introduisons les forçages canoniques de l’oscillateur, transformés des couples {m x ui, m x m x ui}i=x,y,z et discutons leurs propriétés de synchronisation en fonction des paramètres non-linéaires. Dans le cas où l’oscillateur est fortement non isochrone (|| >> 1), il est possible de simplifier le problème pour traiter la combinaison de forçages canoniques, le régime transitoire, le régime de synchronisation sous température et sous fort signal externe. Les études analytiques sont confrontées aux études numériques et expérimentales pour un oscillateur à base d’une jonction tunnel.

The spin-transfer torque oscillator is a nano-sized system which could be part of the next generation of microwave current controlled oscillator. It combines several advantages as a frequency generation in the microwave range (f ≈ 200 MHz – 20 GHz), high tunability thanks to non-linearity and being fully compatible with CMOS technology. However, the oscillator is strongly affected by thermal fluctuations as every nano-sized system, which strongly degrades its spectral coherency. To solve this issue, the most promising strategy is to mutually synchronize an array of oscillators. In order to find the best synchronization schemes, one has to better understand the synchronization of the oscillator to an external source.The present work is essentially theoretical and consists to study the synchronization of a spintronic oscillator to a microwave external signal. The dynamic equation of the magnetization (Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski equation) is transformed in a simplified complex amplitude equation, which allows to address the different synchronizations mechanisms in a unified way. In particular, we introduce the canonical forcing function of the oscillator by transforming the torques {m x ui, m x m x ui} i=x,y,z and then discuss their synchronization properties. If the oscillator is strongly non-isochronous (|| >> 1), it becomes possible to address the combination of forcing functions, study of the transient regime, study of synchronization under thermal noise or under strong amplitude external signal. Analytical studies are compared with numerical simulations and experiments on magnetic tunnel barrier oscillators.