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The miniaturization of complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) devices becomes increasingly difficult due to fundamental limitations and the increase of leakage currents. Large research efforts are devoted to find alternative concepts that allow for a larger data-density and lower power consumption than conventional semiconductor approaches. Spin waves have been identified as a potential technology that can complement and outperform CMOS in complex logic applications, profiting from the fact that these waves enable wave computing on the nanoscale. The practical application of spin waves, however, requires the demonstration of scalable, CMOS compatible spin-wave detection schemes in material systems compatible with standard spintronics as well as semiconductor circuitry. Here, we report on the wave-vector independent detection of short-waved spin waves with wavelengths down to 150 nm by the inverse spin Hall effect in spin-wave waveguides made from ultrathin Ta/Co8Fe72B20/MgO. These findings open up...

In the last two decades Spintronics has been an important driver for Information Technologies with the introduction in 1996 of magneto-resistive field sensors in data storage and in 2006 of magnetic random access memories. Spintronics can also bring alternative solutions for rf components used in Information-Communication Technologies. By virtue of their specific spin polarized transport properties spintronic devices become active, multifunctional, compact, low power, low cost, CMOS compatible rf components that combine functions of microwave signal generation (DC-to-RF converter), modulation and frequency selective microwave signal detection (RF-to-DC converter). In this presentation an overview will be provided for the realization of rf spintronic components and their corresponding rf properties with respect to different functions such as signal generation, modulation and detection. The results reported here were obtained in a collaborative effort within the FP7 project MOSAIC [1] including different laboratories SPINTEC-UGA/CEA/CNRS (F); CEA-LETI (F); INL, Braga (Pt); TUD (G); UMPhy CNRS/THALES (F); THALES TRT (F)

Ultrathin films of the heavy elements Pd and Pt are widely used in spintronics as converters between charge and spin currents and vice versa. One open question has been whether the strongly paramagnetic nature of these elements influences the interconversion process. The authors show, using a combination of ferromagnetic resonance and x-ray magnetic circular dichroism measurements, that a related spin current absorption process (spin pumping damping) responds to the presence of ferromagnetic order in the polarizable Pd and Pt layers. They observe a change in the thickness dependence of spin current absorption when the Pd and Pt layers are in direct contact with a ferromagnet, compared with when they are in indirect contact. This change correlates with the presence of induced magnetic moments in Pd and Pt as revealed by element-specific x-ray magnetic circular dichroism magnetometry. The results show that the decoherence process for spin current in such layers is not independent of geometry, but rather is influenced by the presence of induced ferromagnetic order.

International audience; Voltage noise measurements were performed in the 3–7 GHz frequency range on magnetic tunnel junctions biased with a dc current. Magnetic noise associated with ferromagnetic resonance excitations is either amplified or reduced depending on the direction of the bias current. This effect is interpreted as the influence of spin transfer torque on the magnetization fluctuations and described using Gilbert dynamics equation including spin transfer torque and effective field terms.

Spin Transfer Nano-Oscillators (STNOs) are a novel type of Radio Frequency (RF) oscillators that make use of the Spin Transfer Torque (STT) effect in a magnetic tunnel junction (MTJ) device to produce high-frequency auto-oscillations. STNOs are attractive for applications in wireless communications due to their nanometric size and their frequency tuning capabilities via either a dc current or an applied field. This frequency tuning permits to encode the information via frequency shift keying (FSK) by digital modulation of the current or applied field between two discrete values without the need of an external RF mixer, leading to potentially less complex RF components. In this thesis, the feasibility of the digital frequency modulation (frequency shift keying (FSK)) using in-plane magnetized MTJ STNOs has been studied. For this, the maximum modulation rate, up to which a signal can be modulated or the frequency can be shifted between two discrete values, is an important aspect that need to be characterized.The characterization of the maximum modulation rate for in-plane magnetized MTJ STNOs has been studied via numerical macrospin simulation for different modulation configurations, i.e. modulation by a sinusoidal RF current and a sinusoidal RF field. It revealed that the maximum modulation rate under RF current modulation is given by the amplitude relaxation frequency fp of the STNO. Under RF field modulation, i.e. an RF field applied parallel to the easy axis, an enhanced modulation rate above fp can be achieved since the frequency is modulated directly via the field and not via the amplitude. This suggests an important strategy for the design of STNO-based wireless communications and to achieve high data rates. Besides numerical simulation, experimental studies of frequency shift keying (FSK) by current modulation in STNOs have been also demonstrated. The first demonstration is the FSK in standalone STNOs. The analysis confirmed that the FSK was successfully observed with a frequency shift around 200MHz (the frequency shift between ≈8.9 GHz and ≈9.1 GHz) at the modulation rate of 10Mbps. This modulation rate is however less than the upper limit, which is given by the relaxation frequency fp of the STNO as predicted in the numerical simulation, because of the relatively high phase noise of the device measured. In order to test the feasibility of the STNO within microwave systems, the FSK modulation of STNOs was performed on a printed circuit board (PCB) emitter. FSK with a frequency shift around 300MHz (the frequency shift between ≈9 GHz and ≈9.3 GHz) was observed with a modulation rate of 20 Mbps. The data rate here was limited by characteristics of the PCB emitter and not intrinsic to the STNO. The simulation and experiment studies of frequency modulation of STNOs demonstrate that the data rate of is adequate for wireless communication used in WSN. However, further improvements in materials and nanofabrication of STNOs are required to enhance the output power and improve the spectral characteristics of the oscillations to push the data rates to higher values with large frequency shift., Les Oscillateurs Spintronique (STNO) sont un nouveau type d'oscillateurs à fréquence radio (RF) qui utilisent l'effet « Spin Transfer Torque (STT) » dans un dispositif de jonction tunnel magnétique (MTJ) pour produire des oscillations entretenues à haute fréquence. Les STNO fournissent des solutions compactes pour la communication sans fil utilisées dans « wireless sensor network (WSN) » car leur fréquence peut être réglée via un courant continu. Ce réglage de fréquence permet de coder l'information via « Frequency shift keying (FSK) » par modulation numérique entre deux valeurs discrètes sans besoin d'un RF mixer, ce qui conduit à des composants RF potentiellement moins complexes. Dans cette thèse, la faisabilité de FSK a été étudiée pour des STNO MTJ à aimantation dans le plan en vue des communications sans fil utilisées dans les WSN. Les paramètres abordés dans cette étude sont le décalage de fréquence et le taux de modulation maximum, auquel la fréquence peut être décalée entre deux valeurs discrètes.Pour caractériser le taux de modulation maximum, des simulations macrospin et des études expérimentales ont été réalisées. Les simulations révèlent que le taux de modulation maximum pour FSK par courant est limité par la fréquence de relaxation du STNO, qui est de l'ordre de quelques centaines de MHz pour les STNO à aimantation dans le plan. Cela signifie que le taux de modulation maximum est limité à quelques centaines de Mbps, ce qui est ciblé ici pour une communication sans fil à débit de données modéré utilisées dans les WSN. Des études expérimentales du FSK par modulation de courant dans les STNO ont été effectuées pour des STNO autonomes et pour des STNO intégrés dans des systèmes hyperfréquences. Le FSK sur les STNO autonomes montre un décalage de fréquence autour de 200 MHz (le décalage de fréquence entre ≈ 8,9 GHz et ≈9,1 GHz) au taux de modulation de 10Mbps. Ce taux de modulation est inférieur à la limite supérieure donnée par la fréquence de relaxation du STNO comme prévu dans la simulation numérique en raison du bruit de phase relativement élevé du dispositif mesuré. Afin de tester la faisabilité du STNO dans les systèmes hyperfréquences, la modulation FSK des STNO a été effectuée sur un émetteur de carte de circuit imprimé (PCB). L'émetteur de PCB a été réalisé et développé par le partenaire du projet Mosaic FP7, TUD University. L'analyse confirme qu'un changement de fréquence autour de 300 MHz (le décalage de fréquence entre ≈9 GHz et ≈9,3 GHz) a été observé avec un taux de modulation de 20 Mbps. Le taux de données est limité par les caractéristiques de l'émetteur de PCB et non intrinsèque au STNO. Les études de simulation et d'expérience de la modulation de fréquence des STNO démontrent que le débit de données est adéquat pour la communication sans fil utilisée dans WSN.Cependant, d'autres améliorations dans les matériaux et la nanofabrication de STNO sont nécessaires pour améliorer la puissance de sortie et améliorer les caractéristiques spectrales des oscillations pour pousser les débits de données à des valeurs plus élevées avec un grand décalage de fréquence

Spin-torque nano-oscillators (STNOs) are promising candidates for integrated radiofrequency (RF) components due to their nanoscale size, the large range of base frequencies that can be covered, as well as the large achievable tuning ranges around the base frequency. The RF signal is obtained due to the spin transfer torque (STT) generating a non-linear magnetization oscillation in a magnetoresistive device. In the past, these excitations were investigated using the picture of a single (or independent) layer. However, many features of the excitation spectra observed experimentally in nanopillar devices cannot be explained considering a single layer. In this thesis we address the important question on the dynamical coupling between the magnetic layers inside a magneto-resistive nanopillar device, to gain a better understanding of the excitation spectra, i.e. the dependence of the frequency and the linewidth on current and applied magnetic field. A first study is realized for a coupled system, composed by two ferromagnetic layers, coupled by the interlayer RKKY coupling (so called Synthetic Ferrimagnet SyF). Due to the coupling the frequency dependence versus current is different as compared to excitations of a single layer. This is explained by the strong dynamical RKKY coupling. A second study considers a more complex interaction, occurring within standard STNO nanopillar spin valves or tunnel junctions. They are composed by a SyF separated by a metallic or insulating spacer respectively from the single free layer (FL). For this system we take into account besides the RKKY coupling within the SyF, also the dynamical dipolar field coupling and the mutual spin torque (MSTT) between the SyF and the free layer. We find two definite signatures arising from this coupling. The first is a gap in the steady state excitation spectra that is due to the hybridization of the SyF and FL modes in the damped regime. The second is the possibility of the spintorque driven excitation or its harmonics with the damped modes leading to discontinuities in the frequency field dependence when the free layer is dominantly excited. Interestingly this leads to a region of reduced linewidth. Furthermore for SyF layer dominated excitations, the linewidth is lower than in the FL dominated excitations. From these observations we propose a more complex structure, composed by two SyF layers where the single FL is replaced by a SyF. The results obtained by a combination of experiments, numerical simulations and analytical analysis, demonstrate the important role of the dynamic interactions in nanopillar STNOs and provide routes for designing novel STNO configurations that should lead to improved microwave performances., Les nano-oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont des candidats prometteurs pour la réalisation de composants radiofréquence (RF) intégrés, du à leur taille nanométrique, l'importante gamme de fréquences de base qu'ils peuvent couvrir, ainsi qu'à leur accordabilité autour de ces fréquences de base. Le signal RF est obtenu grâce à l'effet de transfert de spin (STT) qui donne lieu à une oscillation non-linéaire de l'aimantation dans un élément magnétorésistif. Jusqu'ici, ces excitations ont été examinées dans le cadre d'une couche magnétique isolée, c'est-à-dire sans prendre en compte le couplage entre couches. Cependant, nombreux aspects du spectre d'excitation ne peuvent pas être expliqués si l'on considère une couche isolée. Dans cette thèse nous nous attacherons à répondre à la question importante du couplage dynamique entre couches magnétiques dans un nanopilier magnétorésistif, afin de développer une meilleure compréhension des spectres d'excitation, et en particulier la dépendance en courant et champ magnétique appliqué des caractéristiques du pic d'émission, telles que la largeur de raie et la fréquence. Une première étude est réalisée pour un système composé de deux couches ferromagnétiques, couplées entre elles par le couplage RKKY (ce système est appelé un ferrimagnétique synthétique (SyF)). Le couplage induit des différences importantes dans la dépendance en courant de la fréquence par rapport aux excitations d'une couche isolée. Ces différences sont expliquées par l'important couplage dynamique RKKY. Une seconde étude prend en considération une interaction plus complexe, ayant lieu dans un nano-pilier STNO standard basé sur jonctions tunnel ou vannes de spin. Ce dispositif est composé d'un SyF ainsi que d'une couche libre(FL) magnétique, séparés par une fine couche métallique ou isolante. Pour ce système, en plus du couplage dynamique RKKY propre au SyF, nous prenons en compte le couplage dynamique généré par le champ dipolaire ainsi que le spin-torque mutuel (MSTT) entre la couche libre et le SyF. Ce couplage multiple donne lieu à deux signatures distinctes. La première est l'apparition d'un « saut » dans le spectre d'excitation dû à l'hybridation des modes SyF and FL dans le régime atténué. Le second est dû à l'interaction entre les excitations en régime entretenu, éventuellement via leurs composantes harmoniques, avec les excitations en régime atténué. Cette interaction donne lieu à des discontinuités dans la dépendance fréquence – champ, ce lorsque les excitations FL sont prédominantes. Il est intéressant de noter que cela mène à des régions ou la largeur de raie est diminuée. De plus, lorsque les excitations SyF sont prédominantes, la largeur de raie est diminuée par rapport aux cas ou les excitations FL sont prédominantes. Partant de ces observations, nous proposons une structure plus complexe, où un seconde couche de type SyF remplace la couche libre. Les résultats obtenus par une combinaison d'expériences, de simulations numériques et d'analyse analytique, montrent le rôle important des interactions dynamiques dans un nano-pilier. Ils ouvrent de nouvelles voies pour la conception de configurations STNO qui mèneront à des améliorations des performances du signal ainsi synthétisé.

In magnetic heterostructures, the interaction between itinerant conduction electrons with localized electrons is at the origin of effects such as the spin momentum transfer, spin pumping or the spin Hall effect. This thesis is centred on the phenomenon of spin pumping, which states that a precessing ferromagnetic (FM) layer injects a pure spin current into its adjacent metallic layers. This spin current can be partially or fully absorbed by a spin sink layer, placed directly in contact with the ferromagnet or separated by a spacer layer. The absorption of the transverse component of the spin current results in an enhancement of the effective damping of the precessing ferromagnet which we have studied using ferromagnetic resonance experiments for three different ferromagnets (NiFe, CoFeB and Co) as the precessing FM layer and various paramagnets (Pt, Pd, Ru), ferromagnets or an antiferromagnet as the spin sink layer. As a first step we have verified that the additional non-local damping is Gilbert type, and that it depends inversely on the thickness of the FM precessing layer. The analysis of the enhanced damping was done in the frame of an adiabatic spin pumping model proposed by Tserkovnyak et al. Within this model we extracted as a second step the interfacial spin mixing conductance parameters g↑↓ for various interfaces, which determine the spin current transport through FM/NM interfaces. A third important result of the thesis concerns the absorption length of spin currents in ferromagnets and paramagnets which we found can be very different. In ferromagnets the spin current absorption is linear with the spin sink layer thickness, with a characteristic length of ~1nm. This is consistent with theory and the spin dephasing length for spin momentum transfer in ferromagnets. In paramagnets such as Pt, Pd, Ru, the spin current absorption is either linear or exponential depending on whether the paramagnetic is directly in contact with the FM or separated by a thin Cu spacer layer. The corresponding characteristic length is less than the spin diffusion length. Complementary X-ray magnetic circular dichroism measurements revealed induced magnetic moments in paramagnets like Pd, Pt when directly or indirectly coupled with a FM layer. This provides an explanation for the linear thickness dependence for the direct contact heterostructures. Since spin pumping and spin transfer torque (STT) are reciprocal processes the results of this thesis on the spin mixing conductances, spin absorption length scales and induced moments will also be of great interest for studies on spin momentum transfer, Spin Hall effect and Inverse Spin Hall effect. The convenience being that these studies can be done on continuous films and no nanofabrication is required., L'interaction entre électrons de conduction itinérants et électrons localisés dans les hétérostructures magnétiques est à l'origine d'effets tels que le transfert de moment de spin, le pompage de spin ou l'effet Hall de spin. Cette thèse est centrée sur le phénomène de pompage de spin : une couche ferromagnétique (FM) en précession injecte un courant de spin pur dans les couches adjacentes. Ce courant de spin peut être partiellement ou totalement absorbé par une couche, dite réservoir de spin, placée directement en contact avec le matériau ferromagnétique ou séparée par une couche d'espacement. L'absorption de la composante transverse du courant de spin induit une augmentation de l'amortissement de la précession ferromagnétique de la couche libre. Cet effet à été mesuré par des expériences de résonance ferromagnétique avec, pour la couche en précession FM, trois matériaux ferromagnétiques différents (NiFe, CoFeB et Co), et pour la couche de réservoir de spin, différents matériaux paramagnétiques (Pt, Pd, Ru), ferromagnétiques et antiferromagnétiques. Dans un premier temps, nous avons vérifié que le facteur d'amortissement non-local généré est de type amortissement de Gilbert, et qu'il est inversement proportionnel à l'épaisseur de la couche en précession FM. L'analyse de l'augmentation de l'amortissement a été réalisée dans le cadre du modèle de pompage de spin adiabatique proposé par Tserkovnyak et al.. Dans un second temps et suivant ce modèle, nous avons extrait les paramètres de conductance avec mélange de spin à l'interface g↑↓ pour différentes interfaces, ces paramètres déterminent le transport du courant de spin à travers des interfaces ferromagnétique/métal non-magnétique. Un troisième résultat important de cette thèse porte sur la longueur d'absorption du courant de spin dans des matériaux ferromagnétiques et paramagnétiques. Celle-ci varie considérablement d'un matériau à l'autre. Pour les matériaux ferromagnétiques, la longueur d'absorption du courant de spin est linéaire par rapport à l'épaisseur de la couche réservoir de spin, avec pour longueur caractéristique ~ 1 nm. Ce résultat est en cohérence avec les théories antérieures et avec les valeurs de longueur de déphasage de spin pour le transfert de moment de spin dans les matériaux ferromagnétiques. Dans les paramagnétiques tels que Pt, Pd, Ru, la longueur d'absorption est soit linéaire soit exponentielle selon que le réservoir paramagnétique est directement en contact avec la couche en précession ou bien séparé par une couche mince d'espacement en Cu. La longueur caractéristique correspondante est inférieure à la longueur de diffusion de spin. Des mesures complémentaires de dichroïsme circulaire magnétique par rayons X ont révélé une induction de moments magnétiques dans les matériaux paramagnétiques comme Pd, Pt, lorsque couplé directement ou indirectement avec une couche FM. Ce résultat fournit une explication de la dépendance en épaisseur linéaire observée dans les hétérostructures en contact direct. Etant donné que le pompage de spin et le couple de transfert de spin (STT) sont des processus réciproques, les résultats de cette thèse sur la conductance avec mélange de spin, la longueur d'absorption de spin et les moments de spin induits sont également d'un grand intérêt pour les études de transfert de moment de spin, ainsi que d'effet Hall de spin, direct et inverse. L'avantage des études présentées ici réside dans le fait qu‘elles sont effectuées sur des couches minces continues, sans aucune étape de nanofabrication.

Spin Torque Oscillators (STO) are nano-sized Radio-Frequency oscillators whose frequency agility can be tuned by an order of magnitude. This tuning originates from the non-linear properties of the underlying magnetization dynamics that is induced by spin transfer torque (STT) in multilayered magnetic nanostructures. Being highly tunable in frequency has the inconvenient of creating a very strong sensitivity to noise. As a result the spectral purity of STOs is far below the one required for applications for instance in telecommunications. The magnetization dynamics induced by STT has been described theoretically in the frame of nonlinear spin wave theory that makes the essential features of the underlying properties very transparent. However important information on the excitation mode are "buried" in phenomenological parameters such as NU the amplitude-phase coupling and Gp the amplitude relaxation rate. Determining these parameters with accuracy from experiments is thus an important issue. This thesis describes several experimental methods to extract these parameters. The first is time domain noise spectroscopy which permits to extract phase and amplitude noise Power Spectral Densities. Their analysis in the frame of theoretical models allows direct extraction of the nonlinear parameters, but also to quantify the technological relevant phase noise. This is demonstrated for magnetic tunnel junction devices. A second method is the analysis of higher harmonics linewidth, where it is shown that due to the non-isochronous property of STOs, the relationship between Dfn and Df1 is non-trivial and allows to extract NU and Gp. We then apply the information gathered on the autonomous dynamics of STOs to understand the non-autonomous dynamics of STOs that are a prerequisite for the use of STOs in complex RF architectures. It is shown experimentally how the nonlinear parameters influence this non-autonomous behaviour., Les oscillateurs à transfert de spin (STO) sont des oscillateurs Radiofréquence nanométriques dont la fréquence peut être variée d'un ordre de grandeur. Cette forte agilité en fréquence provient des propriétés non-linéaires de la dynamique de l'aimantation induite par le transfert de spin (STT) dans des multicouches magnétiques nano-structurées. Cette forte agilité en fréquence a le désavantage d'induire une forte sensibilité au bruit. La pureté spectrale des STO est alors bien en dessous des pré-requis pour les applications en télécommunications. Les principales propriétés de la dynamique de l'aimantation induite par le STT ont été décrites simplement à l'aide de la théorie non-linéaire des ondes de spin. Cependant des informations importantes sur le mode d'excitation sont enfouies dans des paramètres phénoménologiques tels que le couplage amplitude-phase NU et le taux de relaxation Gp. La détermination de ces paramètres avec précision est d'un intérêt primordial pour la description de la dynamique non-linéaire. Cette thèse décrit plusieurs méthodes expérimentales pour extraire ces paramètres. La première est la spectroscopie de bruit depuis le domaine temporel qui permet l'extraction des Densités Spectrales de Puissance du bruit d'amplitude et de phase. Leur analyse dans le cadre des modèles théoriques permet non seulement d'extraire directement les paramètres non-linaires mais également de quantifier le bruit de phase qui a un intérêt technologique. Ceci est démontré pour des dispositifs basés sur des jonctions tunnels magnétiques. La deuxième méthode est basée sur l'analyse des largeurs de raies des harmoniques du signal, où il est montré que du fait des propriétés non-isochrones des STO, la relation entre Dfn et Df1 est non triviale et permet l'extraction de NU et Gp. Nous utilisons alors toutes les informations obtenues sur le régime autonome de la dynamique des STO pour comprendre leur dynamique non-autonome qui sont des pré-requis à leurs utilisations dans des architectures RF complexes.