Du bruit & la stabilité à la synchronisation & la dynamique complexe dans les nano-oscillateurs à base de transfert de spin

From noise & stability to synchronization & complex dynamics in spin torque nano-oscillators

• Auteur / Autrice : Steffen Wittrock
• Direction : Vincent Cros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/06/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Dafiné Ravelosona
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Liliana-Daniela Buda, Hans Werner Schumacher, Ricardo Ferreira, Aurélie Solignac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Liliana-Daniela Buda, Hans Werner Schumacher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Synchronisation

Bruit de phase

Oscillateurs à microondes

Spintronique

Mots clés libres

Spintronique

Nano-Oscillateurs magnétiques

Bruit

Dynamique couplée

Synchronisation

Points exceptionnels

Spintronics

Spin torque nano-Oscillators

Noise

Coupled dynamics

Synchronization

Exceptional points

Résumé

Les nano-oscillateurs à transfert de spin (STNOs) présentent des fonctionnalités uniques pour les communications rf, la collecte d'énergie ou encore de nouvelles approches de calcul. Ils unifient ainsi les capacités clés multifonctionnelles des nanodispositifs dans le cadre de l'industrie 4.0 et mettent l'accent sur les potentialités de la spintronique, même au-delà du paradigme du CMOS. En plus de leur taille nanométrique, leur résistance aux rayonnements, leur agilité en fréquence, leur faible consommation d’énergie et compatibilité CMOS, une de leurs propriétés clé est leur forte non-linéarité, qui ouvre la voie vers des divers phénomènes physiques intéressants. Toutefois, cette non-linéarité est également à l'origine de la faible cohérence spectrale des oscillateurs, ce qui est un des obstacles jusqu'à présent dans les développements applicatifs. Cette thèse vise à fournir une compréhension plus approfondie du bruit du STNO sous l’influence de la non-linéarité. Généralisable à tous les types d'oscillateurs spintroniques, nous avons étudié à la fois expérimentalement et théoriquement la contribution du bruit de scintillement en 1/f dans le signal proche porteuse de STNO à base de vortex. Par ailleurs, l'influence de ce type de bruit sur la forme spectrale de l'oscillation a été étudiée et des moyens potentiels d'améliorer efficacement la cohérence sont proposés. Un autre axe de ce travail a été consacrée à l'étude du couplage et de la synchronisation de plusieurs STNOs, puisque ces capacités facilitent différents schémas d'application dans les technologies prospectives. En effet, au-delà de la synchronisation, de nouveaux phénomènes complexes sont démontrés et étudiés expérimentalement, tels que l'émergence de points exceptionnels dans le système couplé. En résumé, les résultats obtenus ouvrent de nouvelles perspectives non seulement pour la recherche fondamentale sur les STNOs, mais aussi pour de nouveaux types d'applications futures.

Spin torque nano-oscillators (STNOs) present unique potential functionalities for rf-communications, energy harvesting or next-generation computing. Therewith, they unify hardware multifunctional key capabilities in the framework of Industry 4.0 and emphasize the potentialities of spintronics, even beyond the paradigm of CMOS. Along with the STNO’s nano-size, radiation-hardness, frequency tunability, low energy consumption and CMOS compatibility, their key characteristics is their strong nonlinearity, which opens up the path to various interesting physical phenomena. However, their nonlinearity also causes the oscillators’ poor spectral coherence, which so far limits their applicability in real practical devices. This PhD thesis aims at providing a deeper understanding of the STNO’s noise in the framework of nonlinearity. Generalizable to all types of spintronic oscillators, we experimentally and theoretically study the contribution of 1/f flicker noise at low frequency offsets in vortex based STNOs. We discuss the influence of this type of noise on the oscillation’s spectral shape and demonstrate potential means for efficient coherence improvements. Moreover, this PhD thesis is also dedicated to the coupling and synchronization of several STNOs, since these capabilities facilitate different applicational schemes in prospective technologies. Indeed, beyond synchronization, novel complex phenomena are experimentally demonstrated and studied, such as the emergence of exceptional points in the coupled system. In summary, the obtained results open up new perspectives not only for the fundamental research on STNOs, but also for novel types of future applications.