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Dynamique par transfert de spin dans des nano-oscillateurs : de la détection de signaux rf vers la récolte et la transmission d'énergie (H/F)

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Informations générales

Référence : UMR137-VINCRO-003
Lieu de travail : PALAISEAU
Date de publication : mardi 5 février 2019
Nom du responsable scientifique : Vincent Cros
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 avril 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 1 768,55 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Les oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont des dispositifs spintroniques (typiquement des jonctions tunnel magnétiques) dans lesquels le couplage fort entre un courant de spin et une aimantation est utilisé pour générer l'excitation de modes dynamiques magnétiques. Un effort de recherche important a été récemment fourni pour évaluer la possibilité d'utiliser le courant rf émis par un STNO soumis à un courant dc pour développer de nouveaux types de nano-oscillateurs rf. Au cours de la thèse, l'objectif sera de se concentrer sur un autre aspect du transfert de spin qui permet de transformer un signal en rf en un signal dc. Cette conversion est liée à un effet de rectification (appelé spin diode) lorsqu'un STNO est soumis à un courant rf dont la fréquence correspond à un des modes de résonance magnétique du système. Nous avons pu récemment mettre en évidence dans des oscillateurs à base de vortex non seulement ces effets de diode de spin mais aussi l'expulsion résonante du cœur de vortex. Ces deux effets sont observés pour une gamme de fréquence liée au mode vortex comprise entre 100 MHz et 1 GHz, mais nous pouvons aussi les observer à 2.5 et 5 GHz.
L'ambition de la thèse sera d'étudier le potentiel d'utilisation de mécanisme de diode de spin et de l'expulsion de cœur de vortex pour la récolte et la transmission d'énergie dans la gamme des radiofréquences. Nous nous intéresserons à la réponse d'un système comprenant deux nano-oscillateurs connectés électriquement lorsqu'ils sont soumis à un signal rf dans le cas où un des oscillateurs est en régime diode de spin et l'autre en régime expulsion de vortex. L'objectif sera de montrer que nous pouvons récupérer de l'énergie transportée par des ondes radiofréquences (rf) de faibles puissances par exemple dans la gamme de fréquence du WI-FI (autour 2.4 GHz ou 5 GHz). Le dispositif repose sur l'excitation résonnante de modes magnétiques (chacun dans une gamme de fréquences spécifiques) par transfert de spin, qui est ensuite convertie en tension. Sur le plan fondamental, même si les deux effets, i.e. spin diode et expulsion de vortex ont été observés sur plusieurs échantillons STNOs à base de vortex, de nombreuses questions restent ouvertes en particulier sur les mécanismes d'expulsion/renucléation et leurs échelles de temps associés. D'un point de vue plus applicatif, un des objectifs sera d'augmenter le nombre de dispositifs STNOs électriquement connectés pour former des réseaux dans le but d'améliorer le niveau de sortie (dc) mais aussi la sensibilité aux très faibles signaux rf. Pour tester cette fonctionnalité nouvelle, un des buts sera de connecter notre système de récupération d'énergie à un objet nécessitant une batterie, comme par exemple un capteur, pour en montrer l'efficacité du système et la comparer avec des technologies concourantes.
La thèse consistera majoritairement en la caractérisation de la réponse de MTJ-STNOs à base de vortex à une excitation par champ ou courant rf à la fois dans le domaine fréquentiel et le régime temporel. Ces caractérisations se feront par des mesures de magneto-transport en fonction d'un courant dc/rf. Ces techniques sont accessibles au laboratoire. Les résultats expérimentaux seront comparés avec des simulations micromagnétiques, également prises en charge par le(la) candidat(e). Pour ce qui concerne l'aspect plus applicatif, le(la) canditat(e) participera, avec l'équipe du laboratoire et leurs collaborateurs extérieurs, au design des circuits.

Contexte de travail

Ce travail de thèse effectué à l'Unité Mixte CNRS/Thales s'inscrira dans le cadre d'un projet collaboratif (projet ANR déposé) avec le laboratoire SPINTEC, le CEA-LETI situés à Grenoble.

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