Axe principal: EDS Axes secondaires : DYNASPIN + http://www.nst.u

Axe principal: EDS
Axes secondaires :
DYNASPIN
+
http://www.nst.u-psud.fr/
Institut d'Electronique Fondamentale
Bât. 220, unviersité Paris-Sud, 91405 ORSAY Cedex
+
http://www.ief.u-psud.fr/
Contact C’nano de l’équipe
Devolder Thibaut
Responsable d’équipe :
Dafiné Ravelosona
[email protected]
Membres permanents de l’équipe :
Thibaut Devolder
[email protected]
Joo-Von Kim
[email protected]
Weisheng Zhao
[email protected]
Jacques-Olivier Klein
[email protected]
Nicolas Vernier
[email protected]
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Activité scientifiques de l’équipe :
Le département NST (NanoSpinTronique) présidé par Dafiné Ravelosona à l'IEF
(Institut d'Electronique Fondamentale) comprend 7 chercheurs permanents, 1 technicien, 5
post-docs et 5 doctorants. Il rassemble une expertise reconnue dans le domaine du
nanomagnétisme, avec notamment des savoir-faire en matière de dépôt, de microfabrication,
de caractérisation de nanodispositifs, d'instrumentation micro-onde, mais aussi d'architecture
de circuit CMOS et post-CMOS sans oublier les théories associées. Ces compétences sont
en synergie avec l'expansion rapide de l'électronique de spin, de sorte que le groupe s'est
forgé une visibilité internationale sur la fabrication et l'étude de couches minces et
nanostructures magnétiques, et plus récemment sur la caractérisation de la propagation de
parois de domaine et la dynamique ultra-rapide de l'aimantation induite par des champs ou
des courants (effet de transfert de spin). Nous développons également une activité pionnière
dans le domaine des composants à logique magnétique, que ce soit comme dispositifs
magnétiques embarqués dans des circuits CMOS ou en utilisant des nano-objets
magnétiques comme une paroi de domaine pour réaliser directement des opérations
logiques.
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Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des
nanosciences :
Transfert de spin non adiabatique dans les parois de domaine
Nanodispositif
permettant la
caractérisation de
l'action d'un courant
polarisé en spin sur une
paroi de domaine
magnétique guidée dans
une nanopiste. La
nanopiste a une largeur
de 200nm et comporte
deux constrictions de 80
nm chacune [1].
Bien qu'ils dominent le marché du stockage de
l'information aux très fortes densités, les disques durs reposent
sur le déplacement physique d'une tête de lecture et sur la
rotation d'un disque. Ceci limite intrinsèquement leur rapidité et
leur fiabilité. Une solution pour remédier à ces limitations est de
recourir aux mémoires à parois de domaine.
Il faut pour cela placer des parois dans une piste destinée
à la fois à les guider et à canaliser le courant qui va actionner
ces parois. En effet, le courant électrique qui s'écoule dans la
piste transporte avec lui un courant de spin, qui va en retour
exercer une force sur la paroi, pour la pousser ou la tirer dans
l'axe de la piste. Si la piste est jalonnée de constrictions, ces
constrictions vont pouvoir jouer le rôle de point d’ancrage où la
paroi pourra s'arrêter dans une position stable. L'application
d'impulsions de courants va ainsi permettre de déplacer la paroi
d’un point d’ancrage vers un autre. En conséquence, on peut
coder une information binaire par la présence ou non d'une paroi
à une adresse (la n-ième constriction) donnée sur la piste.
Comme on peut superposer les pistes les unes sur les autres, le
stockage de l'information est effectivement réalisé en trois
dimensions, permettant d'espérer des capacités de stockage
prometteuses.
Nous avons montré que si la piste était jalonnée de
constrictions avec des propriétés adéquates, il était possible de
modéliser la propagation des parois sous courant comme si
celles-ci étaient des particules piégés dans des puits de potentiel
unidimentionels. Dans cette limite, nous avons montré la
proportionalité entre facteur de couple de transfert de spin non
adiabatique et facteur d'amortissement. Ceci permet notamment
de modéliser exactement la stochasticité du mouvement des
parois à température finie, et de définir les options à suivre pour
une plus grande reproductibilité quand on réduit encore les
échelles spatiales et temporelles.
Quantification des ondes de spin dans les nanostructures magnétiques
La plupart des dispositifs de l'électronique de spin sont
basés sur l'exploitation de diverses formes de magnétorésistance: toute variation de l'aimantation se traduit par la
variation d'un signal électrique. Une part du bruit électrique de
ces dispositifs est donc d'origine magnétique; il est donc
essentiel de comprendre ce dernier.
Un pré-requis est de comprendre ce que sont les
excitations propres du système (les ondes de spin) et comment
elles sont peuplées à température finie quand on réduit les
dimensions latérales (~100 nm) et les épaisseurs (~2 nm) des
couches actives des dispositifs de l'électronique de spin.
Nous étudions l'influence des confinements latéral et vertical sur
la quantification des ondes de spin, et ce via des mesures de
répartition spectrale du bruit de magnéto-résistance tunnel dans
des jonctions ref/MgO/CoFeB.
Evolution des
populations (contraste
de gris) et des
fréquences (courbes)
des ondes de spin en
fonction du champ
magnétique pour
plusieurs dimensions
latérales dans des
jonctions tunnels
magnétiques [2].
Nous avons montré qu'il était possible de modéliser le
bruit hyperfréquence de junctions tunnels magnétiques via un
formalisme d'ondes de spins en régime dipôle-échange avec
quantification du vecteur d'onde. Ceci permet notamment
l'extraction des paramètres matériaux (aimantation anisotropie,
raideur d'échange et amortissement) à l'échelle même de la
nanostructure étudiée.
De plus en étudiant les effets du confinement latéral,
nous avons pu identifier et modéliser les modes de bord
(localisés) qui apparaissent en cas de configurations
magnétiques non uniformes.
Titre du résultat 3
Tension délivrée par un
Notre groupe a découvert que quand on fait passer un
fort courant polarisé en spin par un contact ponctuel dans une
vanne de spin, le champ ampérien permet la nucléation d'un
vortex d'aimantation en quelques nanosecondes, et le transfert
de spin fournit la puissance nécessaire à la mise en mouvement
de ce vortex. Ce vortex se met ainsi à orbiter de façon
stationnaire autour d'un contact ponctuel, à la manière d'une
planète autour de son étoile. La différence de potentiel dans le
contact ponctuel acquière ainsi une composante alternative
radiofréquence. La fréquence ainsi synthétisée est très bien
nanooscillateur à vortex.
La forme d'onde est une
sinusoïde déformée en
dent de scie (panels (a)
et (b)) dont la dérive de
phase se modèle par un
unique temps de
relaxation (c). D'après
[3]
•
définie et linéaire en courant, ce qui rend ce système attrayant
comme oscillateur radiofréquence compact et accordable sur
une très large gamme de fréquence..
Nous avons montré que les oscillateurs à vortex basés sur des
nanocontacts possèdent une ajustabilité en fréquence et une
agilité exceptionnelle couplée à un bruit de phase blanc en
fréquence, ce qui les rend compatibles avec certaines
techniques de modulation RF.
Programme de recherche :
Les projets phares que nous nous proposons de mettre en oeuvre dans les
prochaines années concernent :
1) les nouvelles méthodes d'actuation de l'aimantation aux échelles nanométriques.
Ceci recouvre notamment les effets de champ électrique direct ou indirect sur
l'aimantation. Nous nous interessons également aux couples qu'exercent sur
l'aimantation les courants électriques via des couplages spin-orbite.
2) les interactions entre solitons magnétiques et courants polarisés en spin. Ceci
recouvre notamment la dynamique à un ou plusieux vortex et antivortex dans les
nanocontacts ferromagnétiques, mais aussi la dynamique de paroi de domaine sous
sollicitation électrique en géométrie confinée.
3) Enfin, nous nous lancons dans l'étude de l'utilisation des antiferromagnétiques
métalliques et de leur dynamique intrinsèquement très rapide (sub-térahertz) pour de
nouvelles applications. Nous étudions notamment les phénomènes magnéto-résistifs
anisotropes tunnel, ainsi que les couples de transfert de spin non conventionnels qui
permettraient l'actuation du paramètre d'ordre dans les antiferromagnétiques
métalliques.
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Références :
[1] C. Burrowes, et al.
"Non-adiabatic spin-torques in narrow magnetic domain walls",
Nature Physics, vol. 6, num. 1, p. 17, 5 pages, 2010.
[2] A. Helmer, et al.
"Quantized spin wave modes in magnetic tunnel junction nanopillars"
Physical Review B, vol. 81, num. 09, p. 094416, 16 pages, 2010.
[3] T. Devolder, et al.
«Time-resolved zero field vortex oscillations in point contacts»
Appl. Phys. Lett. 95, 012507, 3 pages (2009).