Réponse dynamique d’un nano-oscillateur spintronique à un signal rf pour le développement de nouveaux détecteurs rf ultra-miniatures

Dynamic response of a spintronic nano-oscillator to an rf signal for the development of new ultra-miniature rf detectors

• Auteur / Autrice : Samh Menshawy
• Direction : Vincent Cros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/03/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• 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 : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Thales Communications & Security
• Jury : Président / Présidente : Dafiné Ravelosona
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Cros, Dafiné Ravelosona, Liliana-Daniela Buda, Susana Cardo de Freitas, Rose-Marie Sauvage, Thomas Hauet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Liliana-Daniela Buda, Susana Cardo de Freitas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de microondes

Spintronique

Radiofréquences

Matériaux magnétiques

Mots clés libres

Spintronique

Radiofréquence

Détecteur

Spin

Magnétisme

Vortex

Spintronic

Radiofrequency

Detector

Spin

Magnetism

Vortex

Résumé

Les nano-oscillateurs spintroniques présentent des propriétés remarquables en termes de détection radiofréquence. Leurs tailles nanométriques, leur fonctionnement à température ambiante et leurs compatibilité CMOS en font des candidats sérieux pour apporter la fonction d’analyse spectrale instantanée dans des systèmes embarqués. Les travaux de cette thèse portent sur les propriétés de détection des STNOs à base de vortex magnétiques. Un des effets conférant aux STNOs la possibilité de détecter un signal rf est l’effet diode de spin. Une source rf permet de créer le signal à détecter. Lorsque la fréquence du courant rf injecté dans le STNO correspond à sa fréquence de résonance, une tension de rectification est créée à ses bornes. La mesure de cette tension par un simple voltmètre permet alors de déterminer la présence d’un courant rf. L’étude de l’évolution de la fréquence de résonance en fonction du rayon du STNO, du courant dc et du champ magnétique a mis en avant la possibilité de choisir la fréquence de résonance et de l’accorder avec ces paramètres. Dans une perspective applicative, cette propriété est essentielle pour allouer un STNO à une fréquence spécifique à détecter. De plus, la taille nanométrique des STNOs permettent d’envisager un système composé d’un réseau de milliers, voire de millions de STNOs contenues sur une puce fonctionnant à température ambiante. Cependant plusieurs problématiques se posent. La sensibilité du STNOs à un signal rf extérieur doit permettre de déterminer l’état d’occupation d’un canal de fréquence par une simple mesure de la tension ou par un comparateur de tension. Cela nécessite une variation de tension de l’ordre de la dizaine de mV. L’effet diode de spin ne permettant pas d’atteindre de telle variation, un autre effet, mesuré pour la première fois à l’Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, appelé expulsion de vortex magnétique, est étudié. Ce phénomène a lieu quand le cœur de vortex franchit les bords du STNO lors de sa dynamique induite par transfert de spin. Grâce à cet effet, l’amplitude de la variation de tension peut atteindre jusqu’à 25 mV dans les STNOs caractérisés dans le cadre de nos travaux. De plus, ce phénomène est également accordable en fréquence. Dans une perspective applicative, un réseau de STNO doit être crée afin d’allouer un STNO à une gamme de fréquence spécifique et ainsi couvrir une large bande de fréquence. La répartition du courant rf vers tous les STNOs est donc une problématique à laquelle nous avons apporté une solution. L’excitation du cœur de vortex par un champ rf nous permet en effet d’exciter un grand nombre de STNO grâce à une ligne inductive lithographiée au-dessus des STNOs. La possibilité d’expulser le cœur de vortex, dans ces conditions, a été démontré. Nous avons alors étudié la dynamique du cœur de vortex induite par un champ rf lors de l’expulsion. Ces études temporelles et fréquentielles nous ont non seulement apporté des informations sur le temps de détection d’un signal rf par le STNO mais aussi sur son aimantation dans le régime d’expulsion. De plus, l’accord en fréquence du STNO est possible même lors de l’excitation du cœur de vortex par un champ rf. Enfin, ces études nous ont permis de mettre en place, étape après étape une preuve de concept démontrant la faisabilité de la détection rf avec des nano-oscillateurs spintronique. Les différentes études du phénomène d’expulsion du cœur de vortex alliées à un travail technique de conception et de fabrication considérable a permis de converger vers une solution qui constitue un point de départ vers le développement d’un détecteur d’occupation de spectre spintronique large bande, tenant sur une puce et fonctionnant à température ambiante.

Spintronic nano-oscillators have remarkable properties in terms of radio frequency detection. Their nanoscale sizes, room temperature operation, and CMOS compatibility make them serious candidates for providing instantaneous spectral analysis in embedded systems. This thesis concerns the detection properties of magnetic vortex-based STNOs. One of the effects conferring on STNOs the possibility of detecting a rf signal is the spin diode effect. An rf source is used to create the signal to be detected. When the rf current frequency injected into the STNO corresponds to its resonant frequency, a rectification voltage is created at its terminals. The measurement of this voltage by a simple voltmeter makes possible to determine the rf current presence. The evolution study of the resonance frequency as a function of the STNO radius, the dc current and the magnetic field has highlighted the possibility of choosing the resonant frequency and tuning it with these parameters. From an application point of view, this property is essential for allocating an STNO to a specific frequency to be detected. Furthermore, the STNO nanometric allows us to envisage a network of thousands, even millions of STNOs contained on a chip operating at ambient temperature. However, several problems arise. The STNO sensitivity to an external rf signal must allow to determine the occupancy state of a frequency channel by a simple measurement of the voltage or with a voltage comparator. This requires a voltage variation of ten mV order. The spin diode effect doesn’t allow to achieve such variation. Another effect, measured for the first time at the Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, called magnetic vortex expulsion, is studied. This phenomenon occurs when the vortex core crosses the STNO edges during its spin transfer induced dynamics. Thanks to this effect, the voltage amplitude variation can reach up to 25 mV in the STNOs characterized during this thesis. Moreover, this phenomenon can be tuned. From an application perspective, a network of STNOs must be created in order to allocate an STNO to a specific frequency range and thus cover a broad frequency band.The rf current distribution to all STNOs is therefore a problem to which we have brought a solution. The excitation of the vortex core by a rf field allows us to excite a large number of STNO thanks to an inductive line lithographed above the STNOs. The possibility of expelling the vortex core under these conditions has been demonstrated. We then studied the vortex core dynamics induced by an rf field during the expulsion. A time and frequency domain studies not only provided us detection time information of an rf signal by the STNO but also on its magnetization in the expulsion regime. Moreover, the STNO frequency tuning is possible even when the vortex core is excited by an rf field. Finally, these studies enabled us to implement step by step a proof of concept demonstrating the rf detection feasibility with spintronic nano-oscillators. The various studies of vortex core expulsion combined with a considerable technical work of design and manufacture finally allowed us to converge towards a solution that constitutes a starting point towards the development of a broadband spintronic spectrum occupancy detector, contained on a chip and operating at room temperature.