Dynamique de l'aimantation de nano-oscillateurs micro-ondes à transfert de spin

Magnetization dynamics in spin torque microwave nano-oscillators

• Auteur / Autrice : Dimitri Houssameddine
• Direction : Pascal Xavier, Ursula Ebels
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Micro-ondes

Oscillateurs

Aimantation

Spintronique

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans la thématique de l’électronique de spin et concerne plus particulièrement la dynamique radiofréquence de l’aimantation sous courant polarisé en spin. Dans les nanostructures magnétiques, le transfert de spin permet de soutenir une oscillation entretenue de l’aimantation à grande amplitude. Ces oscillations suscitent un intérêt fondamental pour l’étude de la dynamique de l’aimantation dans le régime fortement non-linéaire. Les oscillateurs à transfert de spin sont également très prometteurs d’un point de vue applicatif, du fait de leur taille nanométrique et de leur forte agilité en fréquence. Néanmoins, leur signal de sortie devra être amélioré et l’origine de leur pureté spectrale comprise. Dans cette optique, nous avons étudié expérimentalement la réponse dynamique de deux types d’oscillateur complémentaires. Nous nous sommes d’abord intéressés à une structure vanne de spin basée sur une couche polarisante à aimantation perpendiculaire. Nous avons démontré la possibilité d’induire une précession de l’aimantation de forte amplitude autour de son maximum d’énergie. Le renfort de simulations micromagnétiques fut nécessaire pour décrire précisément les observations expérimentales. Dans un second temps, nous avons développé un banc de mesure temporelle ainsi qu’un protocole d’analyse original pour étudier la pureté spectrale d’oscillateurs à jonction tunnel magnétique MgO. Ces mesures nous ont permis d’observer certains des mécanismes d’instabilité limitant la cohérence du signal micro-onde de l’oscillateur, comme par exemple des fluctuations de fréquence sur l’échelle de la dizaine de nanosecondes.

This thesis addresses a current topie of spinelectronics which are steady-state oscillations of the magnetization induced by spin transfer torque. Ln magneticl nanostructures, the large oscillation amplitude is of interest since it allows probing of the magnetization dynamics in the non-linear regime but also fo~ integrated microwave components. Here the small size of the devices and the relatively large frequency tuning range are promising properties for futurel telecommunications. However, before integration major issues need to be addressed such as increasing the output power and understanding the spectral purity. Therefore, we studied experimentally the dynamic behaviour of two types of spin transfer oscillators. The fll"st type focuses on a spin valve structure with a perpendicularly magnetized polarizing layer. We show that large amplitude magnetization oscillations around its energy maximum can be established as a resuh of the perpendicular polarizer. With the help of micromagnetic simulations, we were able to interpret qualitatively the experimental resuhs. The second type of structures are MgO based magnetic tunnel junction oscillators of large output power. We developed an experimental set-up to follow the magnetization dynamics in the time domain as well as a data processing protocol to analyze the spectral purity. We identified different transient processes limiting the coherence of the magnetic oscillations, in particular frequency fluctuations on tens of nanoseconds time-scale.