Oscillateurs nanomagnétiques soumis à une boucle de rétroaction à retard : Bruit, chaos et applications neuromorphiques

Nanomagnetic oscillators with time delayed feedback : Noise, chaos, and neuromorphic applications

• Auteur / Autrice : Jérôme Williame
• Direction : Thibaut Devolder
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 14/06/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Bournel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ursula Ebels, Mohamed Belmeguenai, Felipe Garcia-Sanchez, Damien Rontani
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ursula Ebels, Mohamed Belmeguenai

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rétroaction (électronique)

Nanoélectronique

Théories non linéaires

Réseaux neuronaux (informatique)

Mots clés libres

Nanomagnétisme

Spintronique

Dynamique non linéaire

Chaos

Calcul neuro-inspiré

Nanomagnetism

Spintronics

Feedback loop

Chaos

Neuroinspired computing

Résumé

Une boucle de rétroaction à retard a lieu lorsque la sortie d’un système est utilisée pour modifier le signal d’entrée de ce dernier. Ce phénomène apparaît dans des domaines aussi variés que la physique des amplificateurs, la biologie de la régulation de l’insuline ou encore les sciences sociales. Les effets d’une boucle de rétroaction à retard sur un système électronique sont bien connus et ont donné lieu à de nombreuses applications : boucle à verrouillage de phase pour améliorer les propriétés stochastiques, boucle d’amplification ou de régulation, etc. Cependant ces effets ont étés relativement peu étudiés dans le cadre des systèmes nanomagnétiques. Dans ces travaux de thèse j'ai étudié théoriquement les conséquences d'une boucle de rétroaction à retard sur la dynamique de l'aimantation de trois différents systèmes nanométriques avec un objectif distinct pour chaque système. Le premier concerne un oscillateur à transfert de spin dont j’ai étudié les propriétés stochastiques. La rétroaction engendre de fortes variations de la largeur spectrale et fait apparaitre de bandes secondaires à larges retards. Le deuxième système étudié est l'oscillateur macrospin dans lequel des transitions chaotiques entre deux modes de précession (dans le plan de la couche et hors du plan) sont induites par la rétroaction. Je montre qu'il est possible d'exploiter de telle dynamique pour la génération de nombres aléatoires. Enfin le troisième système représente une implémentation d'un oscillateur du type « Mackey-Glass » avec une paroi de domaine piégée dans un ruban. En déformant cette paroi par courant polarisé de spin, et avec un choix judicieux du signal de sortie, je démontre que ce système peut servir comme élément de base pour une architecture temporelle d'un calculateur avec réservoir (« reservoir computer »), qui permet d'effectuer des tâches comme la prédiction des séries temporelles non linéaires.

A delay feedback loop occurs when the output of a system is used to modify the input signal of the system. This phenomenon appears in fields as varied as the physics of amplifiers, the biology of insulin regulation or in social interactions. The effects of a delay feedback loop on an electronic system are well known and have given rise to many applications: phase-locked loops to improve stochastic properties, amplification or regulation loops, and so on. However, these feedback effects remain relatively unexplored in the context of nanomagnetic systems. In this thesis I have studied theoretically the consequences of delayed feedback on the magnetization dynamics of three different nanoscale systems with a separate focus for each system. The first involves spin-torque nano-oscillators whose stochastic properties and the impact of a feedback loop on them have been studied. It is found that significant changes can occur to the spectral linewidth, along with the appearance of secondary frequencies at large delays. The second system involves the macrospin oscillator, where I investigated how delayed feedback can induce chaotic transitions between the in-plane and out-ofplane precession states. These complex dynamics can be used to generate random numbers. The third system represents a proposal for implementing a Mackey-Glass oscillator using a domain wall racetrack-like geometry. By deforming this domain wall with spin polarized currents and with a suitable readout function, I show that this oscillator can be used for a time-delay architecture for reservoir computing. Tests of nonlinear time series prediction are conducted to evaluate the performance of this system.