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La spintronique se trouve à la croisée des chemins entre la microélectronique et le magnétisme. C’est une discipline très riche d’un point de vue de la physique fondamentale, mais son développement est aussi dû à l’engouement des industriels pour de nouvelles applications. La première fut l’utilisation de la magnétorésistance géante pour améliorer les têtes de lecture des disques durs dans les années 90. Celles-ci furent ensuite progressivement remplacées par des jonctions tunnel magnétiques qui équipent aujourd’hui la majorité des disques durs du monde.
Dans les années 2000, un nouveau phénomène fut démontré expérimentalement : le couple de transfert de spin. On découvrait alors qu’il était possible d’agir sur l’aimantation non seulement avec un champ magnétique mais aussi avec un courant électrique. Ce nouvel effet à ouvert la voie à de nombreuses recherches dont l’étude des oscillateurs spintroniques. Les premiers oscillateurs de ce type étaient composés de deux couches magnétiques séparées par un espaceur non magnétique. Sous l’effet du courant, grâce au couple de transfert de spin, l’aimantation de l’une des deux couches oscille uniformément alors que l’autre reste fixe. La variation périodique de l’angle relatif des deux aimantations engendre une variation de la résistance du composant grâce à la magnétorésistance géante. Cette première génération d’oscillateur spintronique a tout de suite suscité l’engouement de la communauté tant d’un point de vue fondamental, car ils montraient que l’on peut exciter l’aimantation grâce à un courant polarisé, que d’un point de vue applicatif, car ces composants sont miniaturisables, compatibles avec les technologies usuelles de la microélectronique (CMOS) et leur fréquence peut facilement être accordée sur une grande plage. Leur gros défaut était et est toujours leur pureté spectrale qui est encore insuffisante pour une utilisation dans les télécommunications.
Puis, dans les années 2010, la communauté à commencé à s’intéresser à un nouveau type d’oscillateur spintronique. Au lieu d’avoir une couche magnétique, dont l’aimantation, oscille uniformément, celle-ci comporte un « objet » magnétique qui se déplace périodiquement : les oscillateurs à vortex. Bien que leur fréquence et leur accordabilité soient bien plus faibles que ceux des oscillateurs précédents, leur pureté spectrale et leur puissance d’émission sont bien plus grandes. Ces nouveaux composants sont passionnants autant d’un point de vue industriel que fondamental. Pour la première fois, on peut observer les excitations engendrées par le couple de transfert de spin sur un vortex magnétique.
Introduction et historique de la spintronique
Usuellement on explique que la spintronique est née du modèle à deux courants de N. Mott en 1936 [1]. Puis de la preuve expérimentale de l’effet de la magnétorésistance géante apportée à la fin des années 80 par A. Fert et P. Grünberg [2, 3]. Cependant ces deux événements ne sont que les derniers dominos d’une longue série de découvertes. En effet, depuis l’antiquité les Hommes sont fascinés par l’électricité et le magnétisme. Bien que ces concepts soient, aujourd’hui, naturels pour tout le monde, même pour les plus jeunes enfants, ils sont longtemps restés mystérieux. Les premières réflexions sur ces phénomènes sont attribuées à Thalès de Milet qui aurait étudié les propriétés électrostatiques de l’ambre jaune et magnétique de la pierre de magnétite (un aimant naturel). Cependant, il les décrit par une vision animiste de la matière (c.-à-d. que la matière est animée de vie) et non par des propriétés physiques. Ces premières observations restent superficielles et qualitatives. Il faut attendre le XVIIIème siècle pour que les scientifiques commencent à cerner ces phénomènes étranges. Des machines à produire de l’électricité statique sont construites. Elles sont, par exemple, composées d’un disque en verre tournant, entraîné par un mécanisme à manivelle, sur lequel un matériau doux (comme une peau de chat) vient frotter. Des charges se créent à la surface par triboélectrification . Grâce à elle, tout « le beau monde » se met à expérimenter l’électricité…
Durant cette période, il est découvert qu’il y a deux types de « fluide électrique » que l’on nommera arbitrairement plus et moins ainsi que deux types de matériaux, les conducteurs et les isolants. Cependant, aucun modèle n’est encore développé, pour quantifier ces phénomènes. Le XIXème siècle sera le siècle de la mathématisation. Les savants cherchent à mettre le phénomène en équation comme Newton l’a fait pour la dynamique des solides. De grands noms se succèdent : Hans Christian Ørsted, André-Marie Ampère, Michael Faraday, JeanBaptiste Biot et Félix Savart. Chacun modélise une facette du phénomène. Enfin, le très célèbre James Clerk Maxwell regroupe toutes ces théories en une seule. Cependant, pour l’instant la nature de ce fluide est encore incompréhensible pour les savants de l’époque. Il faut attendre John Thomson, pour comprendre la nature des électrons en tant que particule chargée (voir cadre).
Puis avec la révolution scientifique du début du XXéme siècle lancée par la découverte de la physique quantique et de la relativité, la notion de moment angulaire des particules émerge. En 1926, Uhlenbeck et Goudsmit [4] proposent l’existence d’un spin 1/2 pour l’électron permettant ainsi de comprendre la structure fine de certaines raies d’émission de l’hydrogène. Dix ans seulement avant les prédictions théoriques de Mott. Enfin, il a fallu attendre l’amélioration des techniques de dépôt des métaux en couche mince (essentiellement développées pour l’industrie de la micro électronique) pour que les premières mesures de magnétorésistance géante soient réalisées.
Toutes ces découvertes (et bien d’autres) ont abouti à l’émergence de la spintronique. Lorsque l’on cherche à raconter l’histoire des sciences et comment on est arrivé à un contexte, il ne faut pas oublier qu’une découverte n’arrive jamais seule et n’est jamais le fruit d’un seul homme. Elle découle d’événements passés, d’états d’esprit qui planent dans l’air du temps et d’un peu de chance… Maintenant, revenons à des considérations plus pragmatiques. Dans la suite de ce chapitre, je vais brièvement décrire les concepts de spintronique qui ont servi de cadre au début de ma thèse. Je n’évoquerai pas ici les découvertes faites en parallèle de celle-ci, mais j’y ferai référence au besoin dans les chapitres suivants. Dans les paragraphes qui suivent, je vais tenter d’expliquer brièvement les concepts avec les mains sans rentrer dans les détails, et surtout avec le moins d’équations possible, de façon à me concentrer sur la physique. Des thèses et même des livres y sont entièrement consacrés et je renvoie le lecteur à ceux-ci pour une étude plus approfondie [5, 6].
Les structures magnétiques
L’engouement pour la spintronique a démarré par la preuve expérimentale de la magnétorésistance géante apportée, en parallèle, par A. Fert et P. Grünberg [2, 3]. Ces expériences consistent à faire un empilement de couches minces en alternant couche métallique magnétique et couche métallique simple. L’aimantation des couches magnétiques s’ordonne de manière alternée dans une configuration antiparallèle . Les auteurs ont remarqué que lorsqu’ils appliquent un champ, dans la direction de facile aimantation des couches, la résistance change : elle est plus grande quand les couches sont dans une configuration anti-parallèle (AP) que dans une configuration parallèle (P). Plus tard, l’étude de structures avec seulement 3 couches minces (deux métaux ferromagnétiques séparés par un métal normal), gravées en pilier, a donné des résultats similaires. On appellera ces composants des structures GMR (pour Giant Magneto-Resistance ).
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Table des matières
Introduction générale
I Etat de l’art
1 Introduction et historique de la spintronique
2 Les structures magnétiques
2.1 La polarisation en spin du courant
2.2 De la GMR aux spin-valves
2.2.1 La GMR en quelques mots
2.2.2 Les vannes de spin
2.3 De la TMR aux jonctions magnétiques
2.3.1 La TMR en quelques mots
2.3.2 Les jonctions tunnel magnétiques
2.3.3 Perspective pour les jonctions magnétiques
3 Dynamique de l’aimantation
3.1 Équation de la dynamique
3.2 Le couple de transfert de spin
3.3 Oscillateurs macrospin
4 Les vortex magnétiques
4.1 Dynamique d’un vortex magnétique
4.2 Les premiers oscillateurs à vortex
4.2.1 Le concept
4.2.2 Les premiers oscillateurs à vortex
5 Conclusion
II Description du système étudié
1 Caractéristique de l’échantillon
1.1 Empilement
2 Description du banc expérimental
2.1 Champ magnétique
2.2 Mesure statique et polarisation des jonctions
2.3 Mesures spectrales et analyseur de spectre
3 Premières caractérisations
3.1 Mesure statique R(H)
3.2 Impédance de l’échantillon
3.3 Premières mesures spectrales
3.4 Dépendance au courant de polarisation
3.5 Dépendance en champ de la fréquence
4 Reproductibilité et vieillissement
4.1 Reproductibilité d’échantillon à échantillon
4.2 Vieillissement des échantillons
5 Conclusion
III Auto-oscillateur et Synchronisation
1 Oscillateurs, auto-oscillateur et non-linéarité
1.1 Introduction et définitions
1.2 Oscillateurs auto-entretenus ou auto-oscillateurs
1.3 Espace des phases et cycle limite
1.4 Quelques exemples d’oscillateurs
1.4.1 Oscillateur de van der Pol
1.4.2 Modèle KTS
2 Synchronisation
2.1 Définition
2.2 Synchronisation et auto-oscillateur
3 Etat de l’art sur la synchronisation des oscillateurs spintronique
4 Expérimentation
4.1 Banc expérimental
4.2 Expériences en fonction de la puissance de la source RF
4.2.1 Premier spectre de synchronisation
4.2.2 Synchronisation à 2f0
4.3 Expériences en fonction de la fréquence de la source RF
4.4 Construction des langues d’Arnold
4.5 Conservation de la puissance intégrée
4.6 Conclusion sur la partie expérimentale
5 De l’équation de Thiele à l’auto-oscillateur
5.1 Le cas simple : Modèle sans masse et avec potentiel harmonique
5.2 Modèle avec potentiel de confinement et inertie
5.2.1 Approche analytique
5.2.2 Approche numérique
6 De l’auto-oscillateur à l’oscillateur paramétrique
6.1 Similarité entre l’équation de Mathieu et l’auto-oscillateur à vortex
6.1.1 Rappel sur l’équation de Mathieu
6.1.2 Similarité entre les deux équations
6.1.3 Pour aller plus loin avec l’équation de stabilité
6.1.4 Conclusion : forces et faiblesses de notre modèle
7 Conclusion
IV Modulation de fréquence
Conclusion générale
