États chaotiques et effets de modulation dans des oscillateurs à vortex

Chaotic states and modulation effets in vortex nano-oscillators

• Auteur / Autrice : Jérémy Létang
• Direction : Joo-Von Kim, Thibaut Devolder
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/07/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Cros
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ursula Ebels, Nicolas Vukadinovic, Grégoire de Loubens, Laura Thevenard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ursula Ebels, Nicolas Vukadinovic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modulation de fréquence

Chaos (théorie des systèmes)

Transfert de spin

Mots clés libres

Chaos

Vortex magnétique

Verrouillage de phase

Oscillateurs à transfert de spin

Dynamique de l'aimantation

Chaos

Magnetic vortex

Phase-Locking

Spin-Torque oscillators

Magnetization dynamics

Résumé

Les nano-oscillateurs à vortex sont des systèmes spintroniques dans lequel des courants électriques entrainent la giration par couple de transfert de spin d’une structure magnétique que l’on appelle vortex. Il s’agit d’un type de nano-oscillateur à transfert de spin permettant des applications dans les communications radiofréquences, la génération de champ magnétique et le calcul neuro-inspiré. Une propriété spécifique des systèmes à base de vortex est le renversement de la polarité du cœur de vortex, qui peut mener à des effets non-linéaires tels que le chaos. Comprendre comment de tels états sont influencés par des signaux extérieurs est important à la fois d’un point de vue fondamental et pour des applications technologiques.Dans cette thèse, j’ai examiné expérimentalement et théoriquement comment la dynamique des oscillateurs à vortex dans une géométrie à nanocontact répond à un signal externe. Les échantillons étudiés ont été fabriqué en utilisant une méthode de nano-indentation sur différents empilements, tels qu’une pseudo-vanne de spin à base de permalloy ou d’alliage de Heusler. Par des analyses fréquentielles et temporelles, j’ai montré que des effets de modulation non-triviaux se produisent selon le régime d’oscillation, tels que de la synchronisation fractionnaire, la modulation du renversement de cœur et des transitions entre régimes. Les échantillons à base d’alliage de Heusler font preuve de phénomènes supplémentaires tels que des battements entre modes résultant en un spectre plus complexe. À travers des simulations micromagnétiques, j’ai démontré qu’un paramètre clé est comment l’orbite du vortex change sous la modulation, et qui détermine si le verrouillage de phase est possible. Des effets d’hystéresis dus à un changement de la structure de l’échantillon sont aussi démontrés. Ces résultats suggèrent de nouvelles manières d’utiliser les oscillateurs à vortex pour le traitement du signal et de l’information.

Vortex nano-oscillators are spintronic devices in which electric currents drive the steady state gyration of magnetic states called vortices with spin-transfer torques. They represent a class of spin-torque nano-oscillators, which have potential applications in rf communications, field generation, and neuro-inspired computing. A specific feature of vortex-based systems is the reversal of the vortex core polarity, which can lead to nonlinear effects such as self-modulated states and chaotic dynamics. Understanding how such states are influenced by external signals is important for both fundamental studies and technological applications.In this thesis, I examined experimentally and theoretically how the dynamics of vortex oscillators in the nanocontact geometry respond to external current modulation. The samples studied were fabricated using a nano-indentation method on a variety of material stacks, such as pseudo spin valves based on transition metal and Heusler alloys. Through time- and frequency-domain analysis, I show that nontrivial modulation effects can appear depending on the oscillation regime, where processes such as fractional synchronization, modulation of the core reversal processes, and transitions between regimes are observed. Heusler-based devices exhibit additional phenomena like mode hopping and possibly coupled vortex dynamics, which results in more complex spectra. Through micromagnetics simulations, I demonstrate that a key parameter is how the vortex orbits change under modulation, which determines whether phase locking is possible. Hysteretic effects due to changes in the domain structure of the device are also brought to light. These results suggest new ways to utilize vortex oscillators for information processing.