Spectroscopie et contrôle de dynamiques non-linéaires complexes dans les nanostructures magnétiques : vers des technologies de traitement de l'information non conventionnelles

Spectroscopy and control of complex non-linear dynamics in magnetic nanostructures: towards unconventional information processing technologies

• Auteur / Autrice : Amel Kolli
• Direction : Grégoire de Loubens
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Spintronique

Nanosciences

Magnonique

Spectroscopie

Nanomagnetisme

Systèmes complexes

Spintronics

Nanosciences

Magnonics

Spectroscopy

Nanomagnetism

Complex systems

Résumé

Exploiter les comportements non-linéaires intrinsèques des systèmes dynamiques est une voie prometteuse vers des technologies de traitement de l'information non conventionnelles. La forte non-linéarité de la dynamique de l'aimantation dans les matériaux ferromagnétiques conduit, en fonction des situations, à des phénomènes variés : instabilités et turbulence d'ondes de spin, formation de solitons, chaos, synchronisation, etc. Ces phénomènes, communs à de nombreux systèmes dynamiques, ont été étudiés pour leur intérêt fondamental dans des échantillons macroscopiques jusque dans le milieu des années 1990. Grâce aux progrès des techniques de nanofabrication et de caractérisation accomplis depuis, il est maintenant possible d'étudier ces régimes fortement hors équilibre dans des nanostructures magnétiques. De plus, grâce au couplage efficace entre transport de spin et dynamique de l'aimantation, cette dernière peut être excitée et détectée électriquement dans des nano-oscillateurs à transfert de spin. Ces dispositifs spintroniques travaillant dans la gamme micro-onde sont prometteurs pour diverses applications dans le domaine des technologies de l'information, de la génération de fréquence au calcul neuromorphique. Récemment, il a été démontré que certains nano-oscillateurs magnétiques, présentant des régimes de dynamique chaotique, pouvaient être exploités comme sources d'entropie pour le traitement de l'information. D'autre part, ces nano-oscillateurs peuvent se synchroniser et leur dynamique collective peut exhiber des régimes complexes très sensibles aux conditions de fonctionnement, ce qui pourrait être mis à profit pour la conception de capteurs ou du calcul non-conventionnel. Pour mettre en œuvre ces idées, il est important de progresser dans notre compréhension des paramètres qui gouvernent ces types de dynamique dans les nanostructures magnétiques. Dans cette thèse, on se propose de caractériser finement et de contrôler les régimes fortement non-linéaires de nano-oscillateurs magnétiques, en particulier les dynamiques chaotiques et les dynamiques transitoires complexes. Ces dernières seront exploitées pour le traitement de signaux micro-ondes variant rapidement dans le temps, tandis que les régimes chaotiques seront mis à profit pour la génération de nombres véritablement aléatoires et le cryptage de données. Pour atteindre ces objectifs, le programme de travail prévu sera progressif. Les premiers nano-oscillateurs magnétiques étudiés ne seront pas intégrés dans des dispositifs spintroniques : ce seront de simples couches magnétiques de grande qualité dynamique, nanostructurées en disques ou ellipses submicroniques, et intégrant une antenne rf permettant le forçage de leur dynamique par un champ magnétique micro-onde. L'état d'équilibre, et donc le spectre d'excitations de ce type d'échantillon, est déterminé par les paramètres matériau et les effets de confinement, et peut être contrôlé par le champ magnétique appliqué, ce qui rend accessible une grande variété de régimes non-linéaires. Il a par exemple été récemment démontré que l'anisotropie effective du matériau affectait fortement les instabilités se développant à haute puissance. Un outil original de caractérisation de la dynamique de l'aimantation dans les nanostructures, développé par le laboratoire d'accueil, sera utilisé : la spectroscopie de force par résonance magnétique. Cette technique de champ proche permet une détection très sensible et indépendante du mécanisme d'excitation de la dynamique de spin. Récemment, elle a été mise à profit pour sonder la résonance ferromagnétique fortement non-linéaire dans des nanodisques, grâce à un nouveau type de spectroscopie multifréquence, permettant une caractérisation approfondie de la dynamique de l'aimantation dans le domaine fréquentiel. D'abord, elle sera utilisée pour quantifier la commensurabilité et le chaos des dynamiques étudiées. En amont et en parallèle de ces expériences, des simulations micromagnétiques seront menées pour identifier les configurations et les forçages les plus prometteurs pour générer du chaos et analyser les données spectrales. Afin de démontrer la faisabilité de transmission de données cryptées par le chaos, des expériences de contrôle et de synchronisation du chaos par un signal externe seront réalisées dans les cas les plus favorables. Ensuite, cette technique de spectroscopie multifréquence sera perfectionnée afin de pouvoir sonder le régime transitoire de la dynamique non-linéaire, en appliquant des séquences d'impulsions micro-ondes adaptées. La réponse du système à des signaux d'excitations complexes sera également étudiée et sa capacité à satisfaire les trois exigences du calcul de réservoir (approximation, séparabilité, et mémoire court-terme) évaluée expérimentalement grâce à la détermination de métriques spécifiques. L'intégration de couches magnétiques présentant le même type de régimes non-linéaires que les échantillons modèles étudiés plus haut dans des jonctions tunnel magnétiques offrant de forts niveaux de sortie permettra de sonder leur dynamique dans le domaine temporel. De plus, il sera possible de contrôler le seuil d'apparition des différents régimes par couple de transfert de spin en agissant sur l'amortissement magnétique, d'atteindre d'autres types de dynamiques complexes dans les régimes d'auto-oscillations autonomes ou forcées, et d'étudier la dynamique en présence d'une boucle de rétroaction en réinjectant le signal d'émission dans l'antenne micro-onde. En fonction de l'avancée du travail décrit plus haut et des interactions avec les laboratoires partenaires, il sera possible de mettre en œuvre des expériences plus avancées de cryptage par le chaos ou de reconnaissance de signaux rf.

Exploiting the intrinsic non-linear behaviors of dynamic systems is a promising path towards unconventional information processing technologies. The strong non-linearity of the dynamics of magnetization in ferromagnetic materials leads, depending on the situation, to various phenomena: instabilities and turbulence of spin waves, formation of solitons, chaos, synchronization, etc. These phenomena, common to many dynamic systems, were studied for their fundamental interest in macroscopic samples until the mid-1990s. Thanks to advances in nanofabrication and characterization techniques made since then, it is now possible to study these strongly non-equilibrium regimes in magnetic nanostructures. Furthermore, thanks to the efficient coupling between spin transport and magnetization dynamics, the latter can be electrically excited and detected in spin transfer nano-oscillators. These spintronic devices working in the microwave range are promising for various applications in the field of information technology, from frequency generation to neuromorphic computing. Recently, it was demonstrated that certain magnetic nano-oscillators, exhibiting chaotic dynamic regimes, could be exploited as sources of entropy for information processing. On the other hand, these nano-oscillators can synchronize and their collective dynamics can exhibit complex regimes very sensitive to operating conditions, which could be taken advantage of for the design of sensors or unconventional calculation. To implement these ideas, it is important to advance our understanding of the parameters that govern these types of dynamics in magnetic nanostructures. In this thesis, we propose to finely characterize and control the strongly non-linear regimes of magnetic nano-oscillators, in particular chaotic dynamics and complex transient dynamics. The latter will be exploited for the processing of microwave signals varying rapidly over time, while the chaotic regimes will be used for the generation of truly random numbers and data encryption. To achieve these objectives, the planned work program will be progressive. The first magnetic nano-oscillators studied will not be integrated into spintronic devices: they will be simple magnetic layers of high dynamic quality, nanostructured into submicron discs or ellipses, and integrating an RF antenna allowing the forcing of their dynamics by a micro magnetic field. -wave. The equilibrium state, and therefore the excitation spectrum of this type of sample, is determined by the material parameters and confinement effects, and can be controlled by the applied magnetic field, which makes a wide variety accessible non-linear regimes. For example, it was recently demonstrated that the effective anisotropy of the material strongly affected the instabilities developing at high power. An original tool for characterizing the dynamics of magnetization in nanostructures, developed by the host laboratory, will be used: magnetic resonance force spectroscopy. This near-field technique allows very sensitive and independent detection of the spin dynamics excitation mechanism. Recently, it has been used to probe the highly non-linear ferromagnetic resonance in nanodiscs, using a new type of multi-frequency spectroscopy, allowing in-depth characterization of the dynamics of magnetization in the frequency domain. First, it will be used to quantify the commensurability and chaos of the dynamics studied. Upstream and in parallel with these experiments, micromagnetic simulations will be carried out to identify the most promising configurations and forcings for generating chaos and analyzing the spectral data. In order to demonstrate the feasibility of transmitting data encrypted by chaos, experiments of control and synchronization of chaos by an external signal will be carried out in the most favorable cases. Then, this multi-frequency spectroscopy technique will be perfected in order to be able to probe the transient regime of non-linear dynamics, by applying suitable microwave pulse sequences. The response of the system to complex excitation signals will also be studied and its ability to satisfy the three requirements of reservoir calculation (approximation, separability, and short-term memory) evaluated experimentally thanks to the determination of specific metrics. The integration of magnetic layers presenting the same type of non-linear regimes as the model samples studied above in magnetic tunnel junctions offering high output levels will make it possible to probe their dynamics in the time domain. In addition, it will be possible to control the threshold for the appearance of different regimes by spin transfer torque by acting on magnetic damping, to achieve other types of complex dynamics in autonomous self-oscillation regimes or forced, and to study the dynamics in the presence of a feedback loop by reinjecting the transmission signal into the microwave antenna. Depending on the progress of the work described above and interactions with partner laboratories, it will be possible to implement more advanced experiments in chaos encryption or RF signal recognition.