Dynamique non-linéaire complexe et points exceptionnels dans des nano-oscillateurs à transfert de spin

Complex non-linear dynamics and exceptional points in spin-transfer nano-oscillators

• Auteur / Autrice : Katia Ho
• Direction : Vincent Cros, Romain Lebrun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/03/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert, CNRS, Thales, Université Paris Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Myriam Pannetier-Lecœur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Liliana-Daniela Buda, Vincent Castel, Sébastien Petit-Watelot, Philipp Pirro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Liliana-Daniela Buda, Vincent Castel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétisme

Capteurs (technologie)

Physique non-hermitienne

Dynamique d'aimantation

Dynamique non-linéaire

Oscillateurs radiofréquences

Spintronique

Mots clés libres

Spintronique

Nano-oscillateurs magnétiques

Dynamique non-Linéaire

Aimantation vortexCoupled oscillators

Points exceptionnels

Capteur

Spintronics

Spin-torque nano-oscillators

Non-Linear dynamics

Vortex magnetization

Exceptional points

Sensor

Résumé

Les nano-oscillateurs à transfert de spin à aimantation vortex (STVO), reconnus pour leur compatibilité avec la technologie CMOS et leur capacité à fonctionner dans une large gamme de fréquence, ont attiré l'attention pour leur potentiel dans les technologies innovantes, telles que de la récolte d'énergie ou l'informatique neuromorphique. Des observations récentes indiquent que le couplage de deux STVO peut conduire à une dynamique plus complexe, en particulier dans le régime de couplage fort, qui est lié à l'existence de points exceptionnels (PE). Les PE sont des singularités dans l'espace des paramètres d'un système où deux ou plusieurs valeurs propres et leurs vecteurs propres correspondants coalescent. Les PE ont récemment été utilisés pour créer de nouveaux types de capteurs qui atteignent une sensibilité sans précédent en exploitant la grande sensibilité des systèmes aux changement de paramètres au voisinage d'un PE.L'étude porte sur les PEs associés à la physique non-hermitienne et leurs propriétés spectrales et topologiques dans des systèmes spintroniques à température ambiante. L'investigation se focalise sur la dynamique du régime de couplage fort des STVO, avec un accent particulier sur les comportements complexes observés dans les systèmes couplés. L'étude se base sur un cadre théorique robuste qui inclut le formalisme de Thiele pour analyser la dynamique des coeurs de vortex in operando et explore des techniques expérimentales telles que la microscopie à balayage à rayons X faibles (STXM) pour améliorer la compréhension des propriétés magnétiques et de la géométrie des dispositifs.Les résultats soulignent également la pertinence du formalisme de Stuart-Landau pour l'étude de la dynamique non-linéaire des STVO. La thèse établit des liens entre les théories linéaires et non-linéaires complexes, soutenues par des corrélations expérimentales, qui peuvent être étendues à des réseaux plus complexes de N oscillateurs. En outre, l'étude identifie un lien entre les résultats expérimentaux et la théorie de la stabilité linéarisée par le biais d'une analyse basée sur Thiele, contribuant finalement à une compréhension plus profonde de la disparition d'oscillation (amplitude death, AD), des phénomènes de bifurcation et de la manipulation précise des PEs.Nous soulignons également l'importance du contrôle de la topologie non triviale de l'espace des paramètres autour d'un PE, en particulier en ce qui concerne ses propriétés d'encerclement. Cette étude vise à démontrer le potentiel des STVO, compatible avec la technologie CMOS, afin d'améliorer les technologies de détection et ouvre la possibilité d'étudier les effets topologiques dans les dispositifs spintroniques. Enfin, ce travail ouvre la voie à de futures applications qui utilisent la dynamique non-hermitienne dans des systèmes oscillatoires complexes et de nouvelles architectures de détection dans des systèmes RF intégrés.

Vortex spin-torque nano oscillators (STVOs), known for their compatibility with CMOS technology and ability to operate within a broad frequency range, have gained attention for their role in innovative technologies, from energy harvesting to advanced computing paradigms. Recent observations indicate that the interaction of two STVOs can lead to more complex dynamics, especially in the regime of strong coupling, which is linked to the existence of exceptional points (EPs). EPs are singularities in a system's parameter space where two or more eigenvalues and their corresponding eigenvectors coalesce. EPs have recently been used to create new types of sensors that achieve unprecedented sensitivity by exploiting the high sensitivity of systems at the vicinity of EPs to parameter changes.The study investigates non-Hermitian physics and topological properties within spintronic systems at room temperature. As such, the research focuses on the strong coupling regime dynamics of STVOs, with particular emphasis on complex behaviors observed in coupled systems. The study employs a robust theoretical framework that includes the Thiele formalism to analyze vortex core dynamics in operando conditions and explores experimental techniques such as Scanning Transmission X-ray Microscopy (STXM) to enhance understanding of magnetic properties and device geometry.The results also emphasize the adaptability of the Stuart-Landau formalism for studying the non-linear dynamics of STVOs. The research establishes connections between linear theories and complex non-linear dynamics, supported by experimental correlations, which can be extended to more complex networks of N oscillators. Additionally, the research identifies a connection between experimental outcomes and linearized stability theory through Thiele-based analysis, ultimately contributing to a deeper understanding of amplitude death, bifurcation phenomena, and the precise manipulation of EPs.We emphasize the significance of controlling the non-trivial topology of the parameter space around an EP, especially regarding its encircling properties. This study aims to demonstrate the potential of CMOS-compatible spintronic oscillators (STVOs) to enhance sensing technologies and opens the possibility to investigate topological effects in spintronic devices. Our work paves the way for future applications that utilize non-Hermitian dynamics in complex oscillatory systems and novel sensing schemes in RF integrated systems.