Les applications et dispositifs spintroniques de type mémoires magnétiques (MRAM) ou oscillateurs à transfert de spin [119] requièrent un contrôle de l’aimantation par le biais d’un champ magnétique extérieur ou d’un courant polarisé en spin. De tels courants de spin peuvent être générés par l’aimantation d’un milieu magnétique, par asymétrie de diffusion de spin dans la direction du flux des porteurs, c’est le cas du spin-transfer-torque (STT), ou par asymétrie de diffusion de spin dans la direction transverse au courant, c’est le cas de l’effet Hall de spin faisant intervenir les propriétés des métaux de transition lourds (en particulier des matériaux 5d comme le Ta, le Pt ou le W. D’autres mécanismes alternatifs aux effets Hall de spin faisant intervenir les états d’interface Rashba [120, 121, 122] exploitent les interactions du couplage spin-orbite de surface ou d’interface entre le mouvement orbital et le spin de l’électron par l’intermédiaire de l’effet Edelstein (IEE) (ou effet Edelstein inverse comme effet réciproque) [123]. L’ensemble de ces interactions peut conduire à la précession, rotation ou commutation d’une aimantation sous l’effet du couple magnétique : c’est le couple de spin-orbite ou spin-orbit torque anglais(SOT) dont nous décrivons plus loin les mécanismes fondamentaux. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous proposons, grâce aux dispositifs AMR ultrasensibles et parfaitement calibrés en angle, d’implémenter un pont (’spin- torque-bridge’) pour la mesure des deux composantes de couple de transfert de spin : la composante champ ou ’field-like torque’ ainsi que la composante antidamping ou ’Slonczewski-like torque’. Après avoir implémenté le spin-torque-bridge, nous montrons l’efficacité de notre système de mesure sur des échantillons AMR à base de couche active de Pt [124] ou d’Au :W [125, 126, 127]. Ces échantillons se présentent donc sous la forme de bicouches et tricouches de type NiFe/Pt et NiFe/Pt/AuW.
Après avoir développé le cadre général et théorique du spin-torque bridge utilisant les sources SHE de la famille des métaux de transition 5d, nous comparons les résultats aux analyses harmoniquesω/2ω plus conventionnelles [128, 129, 130]. En particulier, à partir des résultats obtenus sur les couches épaisses de NiFe (10 nm), les couches ultrafines (2 nm) apparaissent comme un cas particulier associé à une forte anisotropie perpendiculaire de surface [131, 132, 133]. Nous analysons l’ensemble des résultats en terme d’efficacité d’absorption/dissipation des deux composantes de torque (’field- like’ et ’Slonczewski-like’) liée au paramètre de spin-mixing-conductance en fonction de l’épaisseur. Nous avons à cet égard développé un ensemble théorique permettant de décrire la dissipation des courants de spin dans les multicouches en tenant compte principalement du terme d’effet Hall de spin du Pt (cas du massif aux épaisseurs finies) que nous décrivons en détail en annexe du chapitre.
Pendant la rédaction de ce dernier chapitre, nous avons pris connaissance de deux publications de l’université se Singapour [134, 135] décrivant l’implémentation d’un pont de Wheatstone de géométrie assez semblable. Ces contributions décrivent l’utilisation des champs de torque pour la fonction biais des capteurs. Ce travail décrit également la linéarisation, à champ nul, des capteurs AMR, comme ceux que nous proposons d’implémenter. Toutefois, la mise den évidence expérimentale du couple de Slonczewski (anti-damping) en régime quasi-statique, par le biais d’un pont de
Wheatstone, constitue ici une première.
6.0.1
Application au cas des renversement d’aimantation
Nous décrivons brièvement ici les propriétés des couples de spin-orbite et leur utilisation dans les dispositifs spintroniques pour la commutation magnétique.
MRAM
Une mémoire magnétique est une vanne de spin particulière. La valeur logique de la mémoire est ’1’ si les aimantations sont parallèles (PA) et ’0’ si les aimantations sont antiparallèles (AP) entre elles. La lecture de la mémoire s’opère par mesure de magnétorésistance CPP (géométrie perpendiculaire) généralement sur des jonctions tunnel à barrière de MgO. L’écriture peut être réalisée en commutant l’aimantation de la couche douce, par injection d’un pulse de courant dans une bobine située juste au dessus de la vanne de spin (tête d’écriture). Cette solution est toutefois loin d’être optimale du point de vue de la consommation d’énergie ainsi que de l’encombrement spatial. Une solution alternative utilise les couples de transfert de spin par injection d’une forte densité de courant dans la vanne de spin. La barrière filtre le courant ce qui a pour effet de créer un fort courant de spin et de commuter l’aimantation de la couche douce pour une valeur du courant supérieure à une certaine valeur critique (courant critique).
Racetrack memories
Les mémoires racetrack (ou racetrack-memories ou domain wall memories) représentent une technologie particulière permettant de stocker plusieurs bits d’information. Elles se présentent sous la forme d’un fil ferromagnétique le long duquel se succèdent des domaines magnétiques correspondants aux bits. Les têtes d’écriture et de lecture se situent, chacune, à une extrémité du fil. Un courant électrique parcourt le fil et entraine un déplacement des domaines de la tête d’écriture vers la tête de lecture.
Figure 6.1 – Schéma de principe d’une mémoire racetrack : le fil a une forme en U tridimensionnel a pour avantage de minimiser la surface de stockage utilisée [136].
Afin d’améliorer la vitesse de déplacement des domaines magnétiques et donc la vitesse de lecture/écriture, on utilise aujourd’hui les couples de transfert de spin par des matériaux lourds. Un courant est injecté dans une couche (Pt, Ta) adjacente au fil ferromagnétique et l’effet Hall de spin génère les couples nécessaires permettant le déplacement des parois de domaines à très grandes vitesses jusqu’à une fraction de km/s [137, 128, 130, 129].