Influence du couple de transfert de spin sur les fluctuations magnétiques thermiquement activées S. Petit SPINTEC, URA 2512 CEA/CNRS Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

De la spintronique aux J.TM. L’électronique de spin « Spintronics exploits the interplay between the spin and the conduction of electrons in magnetic nanostructures » A. Fert & J. P. Nozières. CR. Académie des Sciences. Nov 2005 La magnétorésistance géante & la magnétorésistance tunnel Alors que l’électronique classique n’utilise que la charge de l’électron pour concevoir des dispositifs comme des transistors, des microprocesseurs, l’électronique de spin utilise le degré de liberté supplémentaire de l’électron : son spin. Combiné avec ça charge ce degré de liberté supplémentaire permet d’envisager des dispositifs présentant des fonctionnalité dèja fortement élaborés. Pour contrôler ce degré de liberté supplémentaire il est nécessaire d’utiliser un champ magnétique extérieur et/ou un dispositif comportant des couches ferromagnétiques. Un des effets les plus remarquables et le plus utilisé est l’effet de magnétorésistance qui se traduit par une variation de résistance d’un dispositif en fonction de la configuration magnétique de la ou des couches magnétiques qui le composent. Dans le cas de la GMR ou de la TMR la conductance dépend de l’angle relatif que font les aimantations de deux couches ferromagnétiques séparées par un métal ou un isolant. Ce type de structures est utilisé dans trois types fondamentaux de dispositif de l’électronique de spin. H Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Plan Concepts physiques Modélisation des fluctuations de l’aimantation Jonctions tunnel magnétiques Effet de transfert de spin (TS) Dynamique de l’aimantation Modélisation des fluctuations de l’aimantation Equation de Langevin Détermination de la DSP des fluctuations de l’aimantation Technique expérimentale Présentation générale du banc de mesure Corrections hyper-fréquences Spécificité des mesures de bruit Résultats et interprétations Effets du champ magnétique Effets du courant de polarisation : influence du couple parallèle Effets du courant de polarisation : influence du couple transverse Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Origine de la magnétorésistance tunnel Modèle de M. Jullière de l’effet de magnétorésistance tunnel E EF Coefficient de magnétorésistance : E EF Polarisation : Lors de la définition de la TMR, re-préciser que seuls les électrons qui tunnelent sont ceux qui correspondent à des bandes de type s. M. Jullière. Phys. Lett. A, 54(3) : 225-226, 1975 Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Effet réciproque : le transfert de spin Couche de référence = polariseur Couche libre = analyseur J. C. Slonczewski. Phys. Rev. B, 39(10) : 6995-7002, 1989. Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Effet réciproque : le transfert de spin J. C. Slonczewski. J. Mag Mag. Mater, 5(2) : 167-171, 1996 Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Mécanismes du transfert de spin Effet interfacial : Conservation du moment magnétique  Couple sur l’aimantation : Absorption de la composante transverse du courant de spin M. D. Stiles et A. Zangwill. Phys. Rev. B, 66(1) : 014407, 2002 Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Dynamique de l’aimantation Précession de Larmor Amortissement (Gilbert) Couple de transfert de spin (Slonczewski) Heff M T. L. Gilbert. Phys. Rev., 100(4) : 1243, 1955. Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Diagramme de phase macrospin à 0 K Domaine de l’étude P P AP M. D. Stiles et J. Miltat. Spin tranfert torque and Dynamics. Springer-Verlag, 2006 B. Montigny. Transfert de spin et dynamique de l’aimantation. Thése de doctorat, Université Paris-Sud 11, 2007 Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Plan Concepts physiques Modélisation des fluctuations de l’aimantation Jonctions tunnel magnétiques Effet de transfert de spin (TS) Dynamique de l’aimantation Modélisation des fluctuations de l’aimantation Equation de Langevin Détermination de la DSP des fluctuations de l’aimantation Technique expérimentale Présentation générale du banc de mesure Corrections hyper-fréquences Spécificité des mesures de bruit Résultats et interprétations Effets du champ magnétique Effets du courant de polarisation : influence du couple parallèle Effets du courant de polarisation : influence du couple transverse Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Dynamique de l’aimantation à l’équilibre Premier terme de transfert de spin (Slonczewski) Amortissement de Gilbert Second terme de transfert de spin (field-like term) x M mx z my Mz MSz H y Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Linéarisation de l’équation de Gilbert Hypothèses de linéarisation : mx et my << Mz  Mz≃Ms aj << a [H+1/2*4Ms] Equation de la dynamique de la composante transverse de l’aimantation : Susceptibilité transverse : Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Equation de Langevin  Bruit blanc mx et my << Mz  Mz≃Ms Hypothèses de linéarisation : mx et my << Mz  Mz≃Ms aj << a [H+1/2*4Ms] Equation de la dynamique de la composante transverse de l’aimantation : champ fluctuant « sans mémoire » :  Bruit blanc Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Théorème de fluctuation-dissipation x M z my H y Donne accès à la densité spectrale des fluctuations d’aimantation : Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Allure des spectres théoriques et Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

De l’aimantation à la tension Comment mesurer expérimentalement le spectre des fluctuations d’aimantations ? δM δR δV x P z θ y M  Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Plan Concepts physiques Modélisation des fluctuations de l’aimantation Jonctions tunnel magnétiques Effet de transfert de spin (TS) Dynamique de l’aimantation Modélisation des fluctuations de l’aimantation Equation de Langevin Détermination de la DSP des fluctuations de l’aimantation Technique expérimentale Présentation générale du banc de mesure Corrections hyper-fréquences Spécificité des mesures de bruit Résultats et interprétations Effets du champ magnétique Effets du courant de polarisation : influence du couple parallèle Effets du courant de polarisation : influence du couple transverse Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Description du banc de mesure 20°C < T < 100°C Sensibilité ≃ 50 pV/Hz ½ Automatisé Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Que mesure-t-on avec ce banc ? L’analyseur de spectre est un voltmètre Mesure le carré de la tension dans une bande Δf centrée sur f0.  Mesure le module carré de la transformée de Fourier du signal (i.e. La densité spectrale de puissance) Unité de la mesure : Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Propagation dans la chaîne de mesure Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Représentation d’un quadripôle Un quadripole linéaire peut être décrit par une matrice de transmission : Ou par une impédance d’entrée et un gain Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Représentation de la chaîne de mesure Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Caractérisation électrique de l’échantillon Comment remonter à la tension aux bornes du pilier ? Pilier 150 µm Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Fonction de correction globale Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Bruit de la chaîne de mesure Les différentes composantes d’un spectre de bruit Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Plan Concepts physiques Modélisation des fluctuations de l’aimantation Jonctions tunnel magnétiques Effet de transfert de spin (TS) Dynamique de l’aimantation Modélisation des fluctuations de l’aimantation Equation de Langevin Détermination de la DSP des fluctuations de l’aimantation Technique expérimentale Présentation générale du banc de mesure Corrections hyper-fréquences Spécificité des mesures de bruit Résultats et interprétations Effets du champ magnétique Effets du courant de polarisation : influence du couple parallèle Effets du courant de polarisation : influence du couple transverse Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Description d’un échantillon RA=3 Ω.µm² 20 % de TMR Echantillons fabriqués par la société Headway Technologies. Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Que représente un spectre corrigé ? Du spectre de résistance au spectre d’aimantation Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Spectres en champ Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Evolution de la fréquence en fonction de H Loi de Kittel : Mesures de R.F.M. par technique inductive réalisées avec K. Garello Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Evolution de la largeur à mi-hauteur Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Evolution de l’inverse de l’amplitude Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Influence du courant polarisé en spin Etat parallèle Etat antiparallèle Hc H Augmentation des fluctuations Diminution des fluctuations Jc = 3,5 107 A/cm2 ( 20mA) 8.5 106A/cm2 I P/AP Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Evolution de la largeur à mi-hauteur Dépendance du couple de transfert de spin vis-à-vis de la configuration Le couple de transfert de spin est plus « efficace » pour stabiliser l’aimantation que pour la déstabiliser ? Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Evolution de l’inverse de l’amplitude Le couple de transfert de spin est plus « efficace » pour stabiliser l’aimantation que pour la déstabiliser Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Déviation de la fréquence de résonance en fonction du courant Effets thermiques : effet Joule & effets thermoélectriques N. Stutzke. App. Phys Lett., 82(1): 91-93, 2003. L. Gravier et al.. J. Phys. D : App. Phys., 39(24) : 5267-5271, 2002. Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Couple de transfert de spin transverse Décalage en fréquence dû au couple de transfert de spin : I. Theodonis et al.. Phys. Rev. Lett., 97, 237205, 2006 Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Conclusion Mise en évidence de l’effet du couple de transfert de spin sur les fluctuations de l’aimantation Modèle semi-quantitatif : permet l’analyse des résultats expérimentaux.  Dépendance du couple de transfert de spin vis-à-vis de la configuration  Le couple de transfert de spin est plus « efficace » pour stabiliser l’aimantation que pour la déstabiliser Technique expérimentale pouvant donner accès au couple de transfert de spin transverse : « field-like term » Phys. Rev. Lett., 98(7): 077203, 2007. Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Perspectives Mesures angulaires : le couple de transfert de spin ne doit pas avoir d’effet sur les fluctuations magnétiques pour un champ appliqué à 90° Etude micromagnétique des différents modes Comparaison des résultats précédents avec des mesures de type « spin diode* » (excitation par un courant alternatif – mesure DC) Etude de la transition linéaire - non linéaire A. A. *Tulapurkar et al.. Nature, 438(7066): 339, 2005. Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

! Merci de votre attention ! Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Je remercie tout le monde 2007 2006 2005 Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07

Comparaison théorie - expérience Sébastien PETIT Soutenance de thèse 23/11/07