Étude des propriétés non-linéaires et de l’origine du bruit d’oscillateurs à transfert de spin à base de vortex : vers le développement de nano-dispositifs radiofréquences spintroniques

L’objectif principal de cette thèse vise la compréhension et la maitrise des mécanismes physiques menant à l’excitation du mode gyrotropique de vortex magnétique par transfert de spin, et en particulier l’origine des sources de bruit affectant sa dynamique. Ce travail est effectué dans la perspective de parvenir à l’amélioration des propriétés radiofréquences de ces dispositifs appelés Spin Transfer Oscillator.En effet, ces oscillateurs ont l’avantage d’être de taille submicronique (quelques dizaines à quelques centaines de nm), d’être compatibles avec les technologies CMOS et d’être résistants aux radiations. De plus, les mécanismes d’aimantation mis en jeu leur assurent une forte dépendance de la fréquence avec le courant, i.e. une bonne accordabilité, ainsi qu’une réponse dynamique rapide i.e. une agilité élevée. Cependant, différentes questions restent en suspens quant à la possibilité d’améliorer leurs conditions d’oscillations, leur puissance et la cohérence de leurs oscillations.Un premier aspect de mon travail de thèse a été d’étudier l’influence des fluctuations thermiques sur la dynamique entretenue du mode gyrotropique du cœur de vortex. Un des résultats a été de montrer que le bruit de phase du mode gyrotropique résulte majoritairement de fluctuations de phase issues directement des fluctuations thermiques auxquelles s’ajoutent des fluctuations d’amplitude converties en fluctuations de phase. Grâce à un modèle analytique, nous avons pu mettre en évidence le rôle important joué par les non-linéarités des forces agissant sur le vortex. De plus, nous avons pu mesurer les paramètres caractéristiques de l’oscillateur, à savoir, la rapidité à changer sa fréquence mais aussi le facteur de couplage amplitude-phase.La seconde étape de mes travaux a consisté à améliorer les conditions d’obtention de signal rf. Un résultat majeur de ce travail a été l’obtention d’un signal rf puissant en absence de champ magnétique. Les puissances mesurées sont de quelques centaines de µW correspondant à des largeurs de raie faibles allant de quelques centaines de kHz à quelques MHz. Cette spécificité est rendue possible pour une structure complexe de l’oscillateur où la couche magnétique qui polarise en spin le courant a une aimantation perpendiculaire et est différente de la couche de référence pour la magnétorésistance.La troisième étape a été d’optimiser le rendement de l’oscillateur. Un des résultats marquants est que nous avons pu mesurer une puissance rf émise reco