Energy-efficient magnetization control by picosecond spin-orbit torques

La demande croissante de solutions de mémoire à grande vitesse et à faible consommation d’énergie requiert le développement d’alternatives aux technologies de mémoire CMOS, de plus en plus coûteuses. Les dispositifs spintroniques, exploitant le spin de l’électron en plus de sa charge, apparaissent comme une alternative prometteuse. Dans ces dispositifs, les données sont stockées dans des bits magnétiques qui ne nécessitent pas une alimentation électrique constante pour conserver leurs informations, ouvrant ainsi la voie à une mémoire économe en énergie.

Au cours des 40 dernières années, des progrès considérables ont été réalisés dans le contrôle du spin et des matériaux magnétiques à grande vitesse. Parmi les différentes méthodes explorées à cette fin, le mécanisme des couples spin-orbite est l’un des principaux candidats pour la prochaine génération de mémoires magnétiques. En 2020, le retournement d’aimantation le plus rapide induit par ce mécanisme a été réalisé en utilisant une impulsion de 6 ps dans un film de cobalt. De plus, des études ultérieures ont révélé que la dynamique de retournement est bien décrite par un modèle de macrospin, suggéreant une dynamique de magnétisation cohérente sur l’ensemble du film à des échelles de temps ultrarapides. Étant donné que le retournement par couples spin-orbite est généralement accepté comme étant dominé par des mécanisme de nucléation et de propagation de domaines magnétiques, les résultats décrits ci-dessus soulèvent d’importantes questions.

Cette thèse de doctorat vise à caractériser les courants critiques et les coûts énergétiques du mécanisme de retournement par couples spin-orbite dans le régime picoseconde, fournissant ainsi un aperçu de la physique en jeu et de nouvelles voies vers un retournement ultrarapide par des moyens électriques. Les principales réalisations de ce travail peuvent être résumées comme suit :

• L’étalonnage réussi sur puce d’impulsions picosecondes dans un guide d’ondes en unités réelles d’amplitude, de courant et de puissance delivrée, permettant une caractérisation complète du signal électrique. Le système d’étalonnage fonctionne en pratique comme un oscilloscope haute fréquence intégré, une technique polyvalente qui peut être appliquée à la recherche sur la bande terahertz.
• La toute première caractérisation des courants critiques et des coûts énergétiques du mécanisme des couples spin-orbite en régime picoseconde. Contrairement aux prévisions antérieures, les coûts énergétiques ont diminué de manière significative vers l’échelle de la picoseconde, révélant une efficacité énergétique émergente due à une physique hors équilibre induite par l’injection de courant ultrarapide.