Etats chaotiques dans les oscillateurs à transfert de spin

par Jérémy Letang

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Joo-Von Kim et de Thibaut Devolder.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Nanoélectronique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Les ferromagnétiques sont des systèmes ordonnés de spin dans lesquels une variété de phénomène non linéaire est possible. Un exemple intéressant dans les films minces est le vortex magnétique, qui correspond à une structure topologique de spin dans laquelle les moments effectuent un mouvement circulaire dans le plan du film mais culmine dans une direction perpendiculaire au niveau du cœur du vortex - une région compact de 10-20 nm de large. Quand un courant électrique est appliqué au vortex, le flux de spin des électrons exerce un couple sur les moments magnétiques, qui conduit à de nouvelles dynamiques comme un état stable de giration du cœur du vortex qui est intrinsèquement non newtonien. Dans ce projet, nous allons explorer des phénomènes fortement non-linéaire tels que le renversement de l'aimantation du cœur du vortex, qui a lieu quand un seuil dans la dynamique du cœur est atteint. Quand ce renversement est périodique une nouvelle échelle de temps est introduite qui entre en compétition avec la fréquence de giration et mène à des états commensurables et incommensurables qui ont un caractère fractal tel "les escaliers du diables"[2]. De plus, ces états incommensurables sont suspectés d'être chaotique, un phénomène rare dans les dispositifs en spintronique qui peut ouvrir la porte à de nouvelles possibilités pour le traitement de l'information [3]. Cependant, le mécanisme physique menant au renversement du cœur à l'échelle nano reste une question ouverte et il reste un challenge de construire une théorie physique qui permet d'identifier et de comprendre la route vers le chaos. Ce travail, qui va former la base du projet de recherche de la thèse, va impliquer les groupes de recherche de l'IEF, Unité Mixte de Physique CNRS/Thalès (Palaiseau), Institut Jean Lamour (Nancy), et CentraleSupélec (Metz). La recherche va être principalement théorique mais peut inclure une composante expérimentale qui comprend des caractérisations électriques hautes-fréquences. Les techniques théoriques vont inclure la théorie des systèmes dynamiques non-linéaires, des simulations micromagnétiques, la théorie des processus stochastiques et de la programmation basique.

  • Titre traduit

    Chaotic states in nanoscale spintronic oscillators


  • Résumé

    Ferromagnets are ordered spin systems in which a variety of nonlinear phenomena are possible. An interesting example in thin films is the magnetic vortex, which comprises a topological spin structure in which moments circulate in the plane of the film but culminate in a perpendicular direction at the vortex core – a compact region 10-20 nm in size. When an electrical current is applied to the vortex the flow of electron spins exert a torque on the magnetic moments, which leads to novel dynamics like steady state gyration of the vortex core that is inherently non-Newtonian [1]. In this project, we will explore strongly nonlinear phenomena such as the reversal of the vortex core magnetization, which occurs when a threshold in the core dynamics is reached. When this reversal is periodic a new time scale is introduced, which competes with the gyration frequency and leads to commensurate and incommensurate states that can have a fractal character like “Devil's Staircases” [2]. Moreover, these incommensurate states are suspected to be chaotic, a rare phenomenon in spintronic devices that can open up new possibilities for information processing [3]. However, the physical mechanism leading to core reversal on the nanoscale remains an open question and a challenging problem is to construct a physical theory that allows the routes to chaos to be identified and understood. This work, which will form the basis of a PhD research project, will involve research groups at IEF, Unité Mixte de Physique CNRS/Thales (Palaiseau), Institut Jean Lamour (Nancy), and CentraleSupélec (Metz). The research will primarily be theoretical but can include an experimental component that comprises high-frequency electrical device characterization. The theoretical techniques used will include the theory of nonlinear dynamical systems, micromagnetics simulations, theory of stochastic processes, and basic programming.