Etude expérimentale d'oscillateurs à transfert de spin

Experimental study of spin transfer torque oscillator

• Auteur / Autrice : Quentin Mistral
• Direction : Joo-Von Kim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spintronique

Magnétisme

Mots clés libres

Dynamique de l'aimantation

Résumé

Il existe une interaction forte entre le magnétisme et le transport électronique dans les multicouches métalliques comportant des matériaux magnétiques. Un exemple pertinent est le transfert de spin, qui décrit le couple exercé sur l'aimantation par un courant polarisé en spin. Selon la manière dont le courant et le champ magnétique externe sont appliqués, il est possible de compenser l'amortissement magnétique par le transfert de spin, ce qui donne lieu aux oscillations entretenues de l'aimantation dans le régime hyperfréquence (GHz). Notre travail de thèse a pour objectif de comprendre, par des études expérimentales et théoriques, la nature de ces oscillations dans deux systèmes différents : le nanopilier et le contact ponctuel. Nous avons étudié la variation de la fréquence, de la largeur de raie et de la puissance des oscillations en fonction du champ magnétique, du courant électrique et de la température. Dans les contacts ponctuels, nous trouvons que le champ ampérien induit une structure vortex et que les modes excités sont des modes de translation de ce vortex. Les fréquences d oscillation sont bien compatibles avec un modèle de vortex rigide que nous avons développé. Dans les nanopiliers, des spectres d excitation très riches ont été observés. Nous démontrons que ces excitations correspondent aux modes quantifiés d ondes de spin dans les nanopiliers. Nous montrons cependant que ce modèle d onde de spin permet d'expliquer la fréquence, la largeur de raie et la puissance des signaux observé uniquement si on tient compte d'un amortissement non linéaire. Ce modèle nous permet également d identifier les courants de seuil de manière précise.

A strong interaction between magnetism and electronic transport exists in metallic magnetic multilayers. One pertinent example concerns the spin-transfer effect, which describes an additional torque exerted on magnetization that originates from the passage of a spin-polarized current. In certain geometries of applied magnetic fields and electric currents, the spin-transfer torque compensates the intrinsic magnetic damping and gives rise to self-sustained oscillations of magnetization in the GHz range. The aim of this thesis work has been to understand, both experimentally and theoretically, the nature of these oscillations in two distinct systems: nanopillars and point-contacts. We have studied in detail how the frequency, linewidth and power of these oscillations vary with applied field, current and temperature. In point-contacts we find that the Oersted-Ampere field, generated by the applied current, creates a vortex structure that executes a large translational motion outside the contact region. The observed oscillation frequencies are in good agreement with a rigid vortex model that we develop. In nanopillars, we observe a rich excitation spectrum and we show that the excitations correspond to quantized spin-wave modes. We show, however, that spin-wave theory can only account for the observed variation in frequency, linewidth and power if a nonlinear damping term is taken into account. The theory also allows us to determine the threshold currents from experiments with good precision.