Etude d'un auto-oscillateur non-isochrone : Application à la dynamique non-linéaire de l'aimantation induite par transfert de spin

par Michaël Quinsat

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Ursula Ebels.

Soutenue le 28-09-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation (équipe de recherche) .

Le président du jury était Pascal Xavier.

Le jury était composé de Joo-von Kim, Marie-claire Cyrille, Andrei Slavin.

Les rapporteurs étaient Vincent Cros, Daniel e. Bürgler.


  • Résumé

    Les oscillateurs à transfert de spin (STO) sont des oscillateurs Radiofréquence nanométriques dont la fréquence peut être variée d'un ordre de grandeur. Cette forte agilité en fréquence provient des propriétés non-linéaires de la dynamique de l'aimantation induite par le transfert de spin (STT) dans des multicouches magnétiques nano-structurées. Cette forte agilité en fréquence a le désavantage d'induire une forte sensibilité au bruit. La pureté spectrale des STO est alors bien en dessous des pré-requis pour les applications en télécommunications. Les principales propriétés de la dynamique de l'aimantation induite par le STT ont été décrites simplement à l'aide de la théorie non-linéaire des ondes de spin. Cependant des informations importantes sur le mode d'excitation sont enfouies dans des paramètres phénoménologiques tels que le couplage amplitude-phase NU et le taux de relaxation Gp. La détermination de ces paramètres avec précision est d'un intérêt primordial pour la description de la dynamique non-linéaire. Cette thèse décrit plusieurs méthodes expérimentales pour extraire ces paramètres. La première est la spectroscopie de bruit depuis le domaine temporel qui permet l'extraction des Densités Spectrales de Puissance du bruit d'amplitude et de phase. Leur analyse dans le cadre des modèles théoriques permet non seulement d'extraire directement les paramètres non-linaires mais également de quantifier le bruit de phase qui a un intérêt technologique. Ceci est démontré pour des dispositifs basés sur des jonctions tunnels magnétiques. La deuxième méthode est basée sur l'analyse des largeurs de raies des harmoniques du signal, où il est montré que du fait des propriétés non-isochrones des STO, la relation entre Dfn et Df1 est non triviale et permet l'extraction de NU et Gp. Nous utilisons alors toutes les informations obtenues sur le régime autonome de la dynamique des STO pour comprendre leur dynamique non-autonome qui sont des pré-requis à leurs utilisations dans des architectures RF complexes.

  • Titre traduit

    Study of a non-isochronous auto-oscillator : application to the nonlinear dynamics of the magnetization induced by spin transfer torque


  • Résumé

    Spin Torque Oscillators (STO) are nano-sized Radio-Frequency oscillators whose frequency agility can be tuned by an order of magnitude. This tuning originates from the non-linear properties of the underlying magnetization dynamics that is induced by spin transfer torque (STT) in multilayered magnetic nanostructures. Being highly tunable in frequency has the inconvenient of creating a very strong sensitivity to noise. As a result the spectral purity of STOs is far below the one required for applications for instance in telecommunications. The magnetization dynamics induced by STT has been described theoretically in the frame of nonlinear spin wave theory that makes the essential features of the underlying properties very transparent. However important information on the excitation mode are "buried" in phenomenological parameters such as NU the amplitude-phase coupling and Gp the amplitude relaxation rate. Determining these parameters with accuracy from experiments is thus an important issue. This thesis describes several experimental methods to extract these parameters. The first is time domain noise spectroscopy which permits to extract phase and amplitude noise Power Spectral Densities. Their analysis in the frame of theoretical models allows direct extraction of the nonlinear parameters, but also to quantify the technological relevant phase noise. This is demonstrated for magnetic tunnel junction devices. A second method is the analysis of higher harmonics linewidth, where it is shown that due to the non-isochronous property of STOs, the relationship between Dfn and Df1 is non-trivial and allows to extract NU and Gp. We then apply the information gathered on the autonomous dynamics of STOs to understand the non-autonomous dynamics of STOs that are a prerequisite for the use of STOs in complex RF architectures. It is shown experimentally how the nonlinear parameters influence this non-autonomous behaviour.


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