Synchronisation d'un oscillateur à transfert de spin à une source de courant RF : mécanismes et caractérisation à température ambiante

par Christophe Dieudonné

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Ursula Ebels.

Le président du jury était Alain Marty.

Le jury était composé de Marie-Claire Cyrille, Joo-Von Kim.

Les rapporteurs étaient Vincent Cros, Nicolas Vukadinovic.


  • Résumé

    Les oscillateurs à transfert de spin (STO) sont des oscillateurs nanométriques (~100nm) prometteurs pour les applications radiofréquence. Ils reposent sur la précession de l'aimantation d'une couche magnétique mince induite par transfert de spin (STT). Un dispositif STO basé sur jonction tunnel magnétique (MTJ) fournira typiquement un signal électrique de l'ordre d'une dizaine de GHz et d'une puissance de plusieurs nW. Comparés aux oscillateurs contrôlés en tension (VCO) utilisés actuellement pour la génération de microondes, les STO ont l'avantage d'être hautement accordables en fréquence. Malgré cela, les critères requis en termes de qualité de signal ne sont pas encore remplis par les STO pour être compétitifs.Deux approches existent pour améliorer la qualité du signal de sortie : (i) optimisation de l'empilement magnétique d'un dispositif STO unique et (ii) synchronisation de plusieurs STOs. C'est la deuxième approche qui a été retenue dans le cadre de cette thèse : ici nous nous intéressons à la synchronisation électrique d'un STO à une source de courant RF stabilisée, dit « injection-locking ». Le cas d'un STO à aimantation homogène, de type précession dans le plan (IPP) est étudié.En particulier, la synchronisation d'un STO à 2f, c'est-à-dire lorsque la fréquence du courant injecté est proche du double de la fréquence de génération du STO, est favorisée par rapport à la synchronisation à f. Les résultats expérimentaux obtenus par plusieurs groupes montrent à la fois une gamme de synchronisation et une réduction de largeur de raie plus prononcées à 2f qu'à f.Ce comportement singulier est examiné dans un premier temps par une étude analytique de la dynamique de l'aimantation couplée aux simulations numériques macrospin dans le but d'identifier les mécanismes de synchronisation qui prennent effet au sein du système.En effet, les modèles actuels (formalisme auto-oscillateur KTS) décrivent la synchronisation d'un STO à un courant RF sans faire de distinction entre la synchronisation à f et 2f, et les prédictions qui en découlent s'avèrent être insuffisantes pour la synchronisation à 2f. Pour combler à cela, nous mettons en évidence par extension du formalisme existant les clés du processus de synchronisation à 2f : l'ajustement de fréquence par ajustement de l'amplitude d'oscillation via la non-linéarité, ainsi que la modification du terme d'anti-damping se faisant par l'intermédiaire de la différence de phase.La caractérisation expérimentale du régime synchronisé pour un STO basé sur jonction tunnel magnétique est également détaillée dans le manuscrit. Grâce aux techniques de mesures en domaine temporel et fréquentiel développées spécialement, les grandeurs caractéristiques (gamme de synchronisation et différence de phase) du système sont extraites et comparées aux prédictions théoriques. Enfin, les effets de l'injection du courant RF sur la cohérence du signal de sortie sont discutés.

  • Titre traduit

    Synchronization of a Spin Transfer oscillator to a RF current : mechanisms and room-temperature characterization.


  • Résumé

    Spin transfer oscillators (STOs) are promising nanometer scaled oscillators (~100nm) for radiofrequency applications. They rely on the steady precession of the magnetization of a thin magnetic layer induced by spin-transfer torque (STT). A STO device based on a magnetic tunnel junction (MTJ) will typically generate an electrical signal with a frequency of the order of ten GHz and an output power of several nW. Compared to voltage controlled oscillators (VCO) used today for microwave generation, STOs have the advantage of having an important frequency tunability with current. However, criteria in terms of the quality of the output signal are not yet fulfilled for STO to be competitive.To enhance the STO signal properties, two suggestions are proposed: (i) optimization of the magnetic stack within a single STO device and (ii) synchronization of several STOs. The second approach was examined during this thesis: here we look at the electrical synchronization of a STO to a stabilized RF current source, or “injection-locking”. The case of a STO with homogenous magnetization of in-plane precession (IPP) type is investigated.Interestingly, synchronization of a STO at 2f, i.e. when the frequency of the injected current is close to twice the generation frequency of the STO, is favored compared to synchronization at f. The experimental results from several groups have shown both enhanced synchronization range and a more pronounced linewidth reduction at 2f.This singular behavior is examined first through an analytical study of magnetization dynamics along with numerical macrospin simulations, in order to identify synchronization mechanisms taking effect in the system.Indeed, current models (in particular the KTS auto-oscillator formalism) describe synchronization of a STO with making a clear distinction between synchronization at f and 2f, and the resulting predictions turn out to be insufficient at 2f. Here, by extension of the KTS formalism, the keys to the synchronization process at 2f are presented: frequency adjustment by adjustment of the oscillation amplitude via the STO non-linearity and modification of the anti-damping term through the phase-difference.The experimental characterization of the synchronized regime in a MTJ-based STO is also detailed in the manuscript. Utilizing experimental signal processing techniques in both frequency and temporal domain, we extract characteristic quantities for synchronization such as the locking-range and the phase-difference, and we compare these quantities with the analytical predictions. Finally, the effects of current injection on the coherence of the output signal are also discussed.


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