L`OSCILLATEUR MAGNÉTORÉSISTIF A LA TAILLE FINE - Inac

spintronique
L’OSCILLATEUR MAGNÉTORÉSISTIF A LA TAILLE FINE
Contact : Dimitri Houssamedine – SPINTEC – [email protected]
Grâce à des mesures originales sur des échantillons de grande qualité, le laboratoire Spintec, en collaboration avec le Léti et Hitachi vient de
révéler une des causes des performances encore limitées d’oscillateurs radiofréquences magnétorésistifs. Nos études montrent que la qualité des
oscillateurs est intrinsèquement très bonne et qu’elle est pertubée par les fluctuations de fréquence.
Le développement d’oscillateurs radiofréquences est l’une des applications de la spintronique : les briques de base sont des éléments
magnétorésistifs (voir encart), dont la résistance
peut, sous certaines conditions de stimuli, varier
de façon périodique à une fréquence de
quelques gigahertz, permettant d’engendrer
des signaux radio-fréquence. Les premières
recherches ont utilisé des vannes de spin qui
offrent une puissance d’émission réduite. Le
développement d’oscillateurs à base de jonction
tunnel magnétique (JTM) a récemment permis
d’augmenter cette puissance d’un facteur 1000,
ce qui rend ces dispositifs beaucoup plus prometteurs.
Un oscillateur digne de ce nom doit émettre
un signal périodique avec une fréquence très
précise. Quantitativement, on caractérise la
largeur en fréquence du pic (ou raie) d’émission
: si le pic est très fin, la fréquence générée est
très précise. L’analyseur de spectre est l’appareil
qui permet cette mesure directement dans le
domaine fréquentiel. Pour nos échantillons, on
trouve une largeur beaucoup trop grande pour
prétendre concurrencer les oscillateurs classiques. D’où vient cette largeur ?
Pour répondre à la question, nous sommes
allés regarder ces oscillations de plus près par
spectroscopie dans le domaine temporel. En
effet, l’analyseur de spectre, par construction,
moyenne le signal sur un temps assez long.
Pour réussir ces mesures « en temps réel », très
sensibles, il nous fallait disposer d’oscillateurs
de très haute qualité et présentant un fort signal.
Une collaboration avec le Léti et Hitachi nous
a permis d’avoir accès à des échantillons à
base de JTM possédant un très fort facteur de
qualité. Les mesures temporelles montrent que
la fréquence des oscillations varie au cours
du temps, avec des périodes de stabilité (ou
temps de cohérence) de l’ordre de 80ns durant
lesquelles la fréquence du signal se trouve être
très stable et très bien définie. Le traitement
numérique du signal a permis d’évaluer une
largeur de raie « intrinsèque » de moins de 1
MHz, soit mieux qu’un facteur 20 par rapport à
celle de l’oscillateur réel (Fig.).
Ces résultats sont extrêmement encourageants car ils prouvent que la qualité des
oscillateurs magnétorésistifs est intrinsèquement
très bonne et que leurs performances réduites
découlent essentiellement des fluctuations de
fréquence qu’il sera donc possible de compenser par une électronique adaptée du type de la
boucle à verrouillage de phase.
Spectre d’émission d’un oscillateur à base de JTM (à gauche) et spectre extrapolé à partir du signal généré
en supprimant les variations de fréquence. On note que la largeur du pic de résonance est fortement réduite.
Les images en encart sont reconstituées à partir des enregistrements temporels et couvrent une durée de
200 ns.
Les éléments magnétorésistifs
Les composants magnétorésistifs sont
des empilements nanométriques de couches
ferromagnétiques et non magnétiques, dont
la résistance varie en fonction de la direction
relative d’aimantation des couches ferromagnétiques. Les « vannes de spin » alternent couches
ferromagnétiques et métalliques, tandis que les
« jonctions tunnel magnétiques » ou JTM (voir
Fig.) alternent couches ferromagnétiques et
isolantes. Par une application combinée d’un
champ magnétique et d’un courant polarisé en
spin (dont le couple apporte une énergie permettant de compenser les pertes magnétiques),
on peut obtenir des oscillations entretenues
d’aimantation et donc une résistance électrique
oscillant avec une fréquence de quelques gigahertz. Cela devient donc le cœur d’un oscillateur
radio-fréquence.
(a)
(b)
(a) JTM, composée de deux couches ferromagnétiques (rouge et bleue) séparées par une couche
isolante (verte). La couche rouge est « dure » : elle
a un moment magnétique mp qui est fixe et qui sert
de référence. La couche bleue est « douce » : elle
a un moment magnétique m qui peut varier sous
l’action d’un champ magnétique ou d’un courant
polarisé en spin. En traversant de la jonction, le
courant se polarise au passage de la couche dure
et transmet sa polarisation sous forme de couple
à la couche douce. (b) La résistance R de l’empilement dépend de l’angle entre m et mp. Elle varie
sinusoïdalement entre un minimum RP quand les
aimantations sont parallèles et un maximum RAP
lorsque m et mp sont à 180°. Si l’aimantation m
tourne régulièrement – ce qu’on appelle la précession entretenue – cela engendre alors un signal de sortie sinusoïdal.
LA FEUILLE ROUGE - N° 553 mai 2008
Comité de rédaction : E. Molva, J. Planès (DIR), P. Dalmas de Réotier (SPSMS), L. Dubois (SCIB), S. Lyonnard (SPRAM),
G. Prenat (SPINTEC), R. Vallcorba (SBT), P. Warin (SP2M) - Mise en page : M. Benini (DIR) tél. 04 38 78 36 33
Institut Nanosciences et Cryogénie
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