La dynamique de phase des oscillateurs à transfert de spin verrouillés : de la synchronisation vers des machines d'Ising

Phase dynamics of injection locked spin-torque nano-oscillators: from synchronization to Ising machines

• Auteur / Autrice : Mateo David Ibarra gomez
• Direction : Liliana Buda-prejbeanu, Ursula Ebels
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 01/04/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et Technologie des Composants
• Jury : Président / Présidente : Lorena Anghel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Thibaudeau, Flavio Abreu araujo, Joo-von Kim, Gregoire De loubens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Thibaudeau, Joo-von Kim

Mots clés

Mots clés libres

Spintronique

Nano-oscillateurs à transfert de spin

Synchronisation

Verrouillage par injection

Couplage

Machine d'Ising

Spintronics

Spin torque nano-oscillators

Synchronization

Injection locking

Mutual coupling

Ising machines

Résumé

La résolution de problèmes d'optimisation très complexes nécessite souvent des ressources importantes en utilisant des architectures informatiques standard. Afin de répondre à ce type de problématique, le concept de machine d’Ising (IM) a été proposé comme une approche informatique à base consommation énergétique. Une implémentation matérielle possible de la machine d'Ising est basée sur un système de nano-oscillateurs à couple de transfert de spin (STNO) couplés collectivement. Dans ce concept la solution au problème d'optimisation corresponde à une configuration optimale de phases (ψ1, ψ2, ...) où ψi est la différence de phase de chaque STNO i avec un signal 2f externe. Dans ce projet, nous avons étudié par simulation numérique en profondeur un tel système de STNOs couplés, en nous concentrant sur la compréhension physique des propriétés de verrouillage par injection. L'analyse a été menée selon une approche ascendante, depuis les éléments individuels de l'implémentation IM jusqu'à un ensemble complet de STNO couplés. Dans une machine Ising, les STNO sont soumis aux signaux 1f et 2f, ici par nf, nous entendons que la fréquence du signal de couplage est environ « n » fois la fréquence propre du STNO. Nous avons commencé par analyser le couplage d'un STNO à un signal 1f et à un signal 2f indépendamment l'un de l'autre. En ce qui concerne le cas 1f, le modèle analytique de verrouillage par injection ne prédit pas la synchronisation sous un signal RF aligné avec l'axe facile du STNO. Cependant les simulations numériques ont permis de la mettre en évidence lorsque la symétrie de la trajectoire de l'aimantation le long de l'axe facile est rompue. Ce résultat est important car il s'agit d'un effet qui pourrait se produire lors du couplage des STNO pour la réalisation de la machine Ising. En ce qui concerne le cas 2f, on constate qu'un champ magnétique 2f orienté le long de l'axe facile du STNO mène à de meilleures caractéristiques de synchronisation qu'un courant 2f polarisé en spin. Dans un deuxièmement temps, nous avons étudié deux STNO couplés qui sont verrouillés par injection 2f, ce qui représente simplement une machine Ising à deux spins. On constate que la configuration des phases (ψ1, ψ2) ou solution optimale dépend fortement du désaccord de fréquence et de la phase de couplage qui caractérise le couplage mutuel. En outre, la tension continue peut modifier la solution lorsque le couplage mutuel est mis en œuvre par le biais de la tension, mais cette propriété n'est pas observée pour le couplage par champ magnétique. Nous avons effectué des simulations numériques sur des réseaux de trois, quatre et huit STNO couplés, et analysé si la configuration de phase optimale correspond à la solution d'un problème d'optimisation MaxCut. Un résultat important est que la configuration optimale dépend du désaccord de fréquence et qu'elle est très sensible aux changements de force de couplage.

Solving highly complex optimization problems often requires significant resources using traditional computer hardware. To tackle such problems, Ising machines (IM) have been proposed as an energy-efficient computing approach. One possible hardware implementation of the Ising machine is based on a system of coupled spin torque nano-oscillators (STNO), the solution to the optimization problem being given by an optimal phase configuration (ψ1, ψ2, ...) where ψi is the phase difference of each STNO i with an external 2f signal. In this project, we have extensively studied by numerical simulation such a coupled STNO system, focusing on the physical understanding of injection-locking properties. The analysis has been conducted in a bottom-up approach from individual elements of the IM implementation to a complete set of coupled STNOs. First, we consider the injection locking of STNOs that is at the base of IM application. For this the STNOs are subjected to RF signals whose frequency frf is approximately “n” times the free-running frequency of the STNO frf=nfSTNO. We begin by analyzing the coupling of an STNO to a 1f signal (n=1) and a 2f signal (n=2) independently. Regarding the 1f-case, synchronization under an rf signal aligned with the easy axis of the STNO is found when the symmetry of the magnetization trajectory along the easy axis is broken. This is unexpected according to the analytical model of injection-locking, but is important because it will be relevant when coupling STNOs within a network such as IMs. Regarding the 2f-case, it is found that a magnetic rf field oriented along the easy axis of the STNO has better synchronization characteristics than an rf current. Secondly, we investigated two coupled STNOs that are 2f injection locked. This represents a basic IM with two spins. The phase configuration (ψ1, ψ2), is studied. It is found that the optimal phase configuration or solution depends strongly on the frequency detuning and the coupling phase which characterizes the mutual coupling. Besides, the DC voltage can alter the solution when the mutual coupling is implemented through voltage, but this property is not observed for magnetic field coupling. We then carried out numerical simulations on arrays of three, four and eight coupled STNOs, and analyzed whether the optimal phase configuration corresponds to the solution of a MaxCut optimization problem. As an important outcome, it was found that the optimal configuration depends on frequency detuning, and is highly sensitive to changes in coupling strength.