Thèse en cours

Modélisation de la dynamique de nano-oscillateurs à transfert de spin verrouillées par injection et couplés électriquement pour l'implémentation d'une machine d'Ising

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Auteur / Autrice : Mateo david Ibarra gomez
Direction : Liliana-Daniela BudaUrsula Ebels
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Nanophysique
Date : Inscription en doctorat le 18/01/2021
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et Technologie des Composants

Résumé

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Les nano-oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont des dispositifs à l'échelle nanométrique basés sur des jonctions tunnel magnétiques (MTJ) qui utilisent des effets spintroniques pour convertir un signal d'entrée en courant continu en un signal cohérent de tension de sortie micro-ondes. Lorsqu'il est verrouillé par injection sur un signal ayant deux fois la fréquence naturelle de l'oscillateur (verrouillage par injection 2f), la différence de phase entre le STNO et le signal externe peut prendre deux valeurs stables discrètes, c'est-à-dire qu'elle devient binaire. Dans ce cas, cette différence de phase peut être exploitée pour représenter les spins binaires d'un modèle d'Ising, qui représente un système de tels spins mutuellement couplés. Une implémentation hardware de ce modèle est appelée machine d'Ising (IM). Il est intéressant de noter que de nombreux problèmes d'optimisation combinatoire (COP) peuvent être mis en correspondance avec l'hamiltonien d'Ising, qui décrit l'énergie dans le modèle d'Ising. La solution à ces problèmes sera donnée par la configuration des spins qui minimise l'énergie du système. Ainsi, grâce à la convergence inhérente vers le minimum global d'énergie, il est possible de déterminer la solution d'un COP en utilisant moins de temps et d'énergie que les approches traditionnelles. L'objectif de ce projet de doctorat est d'étudier par modélisation un réseau de STNO couplés électriquement qui sont verrouillés par injection 2f dans le but de mettre en œuvre un IM et de résoudre un problème d'optimisation. Ces dernières années, certaines études ont démontré la possibilité de concevoir une machine IM basée sur les STNO pour certains paramètres spécifiques. Néanmoins, étant donné que la dynamique des STNO décrite par l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski (LLGS) est très riche et complexe, il est nécessaire d'explorer un ensemble plus large de conditions pour comprendre comment la phase et le couplage des oscillateurs évoluent. Ainsi, en suivant cette méthodologie, il serait possible d'identifier dans quelles conditions le système de STNO peut être utilisé pour concevoir une machine IM. La thèse de doctorat se concentrera sur la résolution numérique de l'équation LLGS dans l'approche macrospin. En outre, le modèle d'oscillateur non linéaire sera utilisé pour extraire à partir de simulations la phase et la puissance des oscillations. Le projet est structuré en trois parties. Le but de la première partie est de fournir une compréhension approfondie de la dynamique d'un seul STNO verrouillé par injection à un signal RF externe. Cela implique l'exploration de différents points de fonctionnement du STNO et de signaux RF de différents types : courant RF ou champ magnétique, verrouillage d'injection 1f ou 2f, orienté le long de l'axe facile du STNO ou avec un certain angle par rapport à celui-ci. Dans la deuxième partie, l'accent est mis spécifiquement sur l'application IM. Le verrouillage par injection 2f sera donc envisagé. Il sera nécessaire de vérifier la nature binaire de la phase de la STNO et la commutation de cette phase entre ses deux valeurs stables. A cette fin, une température non nulle est imposée pour piloter la commutation de phase. Cette analyse sera effectuée pour un seul oscillateur. En troisième lieu, un deuxième STNO couplé électriquement au premier sera considéré. Il sera donc nécessaire de choisir la manière la plus appropriée de modéliser ce couplage. Ensuite, il sera important d'étudier comment la phase des STNO et le couplage entre eux évoluent lorsque l'on considère un large éventail de conditions physiques. Ces conditions impliquent différents points de fonctionnement, des oscillateurs identiques et différents, un désaccord de fréquence différent et un facteur de couplage entre les STNO. Ensuite, la même analyse doit être effectuée pour des ensembles de trois et quatre oscillateurs. Enfin, une COP sera résolue. Il faudra déterminer comment formuler le problème en termes d'équation LLGS. En outre, une fois le système de STNO et ses paramètres adaptés au problème d'optimisation particulier, il sera important de savoir comment il réagit à de petites variations de chaque paramètre, car le problème à résoudre doit être robuste face à de telles variations. Les résultats de ce projet seront vraiment importants, car ils décriront d'une manière complète et systématique les contraintes et les possibilités inhérentes aux STNO en ce qui concerne la mise en œuvre expérimentale de l'IM.