Protocole expérimental

Nous décrivons ici le principe de mesure ainsi que le protocole expérimental adopté pour la mise en évidence des couples de transfert de spin. Afin de mesurer un couple magnétique de type antidamping (’Slonczewski-like), nous devons nous placer dans une configuration d’aimantation possédant une composante hors-plan non-nulle et ceci afin d’obtenir un déséquilibre du pont non-nul. A cet effet, nous devons appliquer à l’échantillon un fort champ magnétique perpendiculaire selon une géométrie de mesure angulaire hors-plan à fort courant d’injection (pulses de courant de 30-60 mA, 10 µs). Pour un meilleur contrôle en température, l’échantillon est réfrigéré à 12 K. La figure 6.12 représente un barberpole type, l’aimantation du NiFe et les différents champs magnétiques effectifs (champ extérieur, champs effectifs de couples) qui lui sont appliqués.

Afin de mettre en évidence les deux composantes du SOT, nous proposons de tirer profit des différentes symétries des champs effectifs de SOT par rapport au courant et au champ magnétique appliqué ainsi que celles mêmes du pont de Wheatstone.

(a) comparaison entre le design d’un pont AMR et celui d’un pont à spin-torque.

(b) géométrie des champs effectifs des couples de transfert de spin dans le pont de Wheatstone.

Figure 6.11 – Schéma de principe du pont à ’spin-torque’ implémenté pour la mesure des couples de transfert de spin.

Exploitation des symétries des champs effectifs de SOT

Afin d’exploiter les symétries des couples de transfert de spin, nous effectuons 4 mesures différentes consistant en un balayage en champ magnétique tournant (géométrie in-plane/out-of-plane). Pour 2 séries de mesures consécutives, le courant j injecté est inversé en signe et pour 2 autres séries de mesures consécutives, le champ magnétique extérieur H est inversé en signe. On note ψ l’angle entre le champ magnétique et le plan de l’échantillon. Nous relevons les 4 séries de courbes R(ψ) : (j+H+, j-H-, j+H- et j-H+) et comparons les mesures. On note que le champ magnétique extérieur, s’il est suffisamment fort, permet alors à l’aimantation d’acquérir une petite composante normale au plan. D’autre part, en l’absence de spin-torque, une inversion du champ extérieur entraine une inversion de l’aimantation. Cependant, la magnétorésistance anisotrope étant symétrique par rapport à l’aimantation ((R(_{− ~}M ) = R( ~M )), la résistance des barreaux reste inchangée (en l’absence de couples de SOT). Les champs effectifs de SOT possèdent les symétries suivantes :

— Le field-like torque ainsi que le champ Oersted sontantisymétriques( ~HF(−j) = − ~HF(j)) par rapport au courant

appliqué etsymétriquespar rapport à l’aimantation ( ~HF(− ~M ) = ~HF( ~M )) : Il sera mis en valeur dans la différence

des 2 séries de courbes (j+H+) et (j-H+) ou (j+H-) et (j-H-)

— Le Slonczewski-like torque est antisymétrique( ~HS(−j) = − ~HS(j)) par rapport au courant appliqué etantisy-

métriquepar rapport à l’aimantation ( ~HS(− ~M ) = − ~HS( ~M )) : Il sera mis en valeur dans la différence entre les

courbes (j+H+) et (j-H-) ou entre (j+H-) et (j-H+)

Afin de permettre au lecteur de visualiser les différentes symétries de configuratione de mesure, la figure 6.13 détaille la figure générique 6.12 selon les 4 configurations respectives (j+H+), (j-H-), (j+H-) et (j-H+). Les figures (H-J+) et (H-J-) correspondent à des vues de dessous afin de mieux visualiser l’aimantation et les champs effectifs (nous avons appliqué ici, à l’angle de vue, une rotation de 180◦ autour de l’axey). On remarque que les figures a) et b) sont symétriques en tout point excepté en ce qui concerne le champ effectif de Slonczewski : la magnétorésistance anisotrope étant symétrique par rapport à l’angle entre le courant et l’aimantation, la différence d’AMR mesurée dans ces deux configurations est due uniquement à la présence d’un champ effectif des couples de Slonczewski.

Figure 6.12 – Champs magnétiques effectifs appliqués à l’aimantation : vue en perspective 3D. Le rectangle bleu correspond au barreau de NiFe et les éléments jaunes correspondent aux barberpoles en Au. Le champ magnétique effectif agit dans la direction du pont, le champ de Slonczewski agit comme un champ de cross-axe, selon la direction d’anisotropie de l’aimantation, lorsque l’aimantation acquière une légère composante hors-plan.

(a) H+ J+ (b) H- J-

(c) H+ J- (d) H- J+

Figure 6.13 – Symétrie des champs effectifs dans les 4 configurations de mesure : pour les deux figures de droite on observe le dispositif après une rotation de 180◦ autour de l’axey, on remarque que les configurations de gauche et de droite sont symétriques mis à part le champ effectif de Slonczewski.

Figure 6.14 – Modèle de rotation out-of-plane sous l’effet du spin-torque. La rotation du champ magnétique s’opère du plan - hors du plan. ψ repère l’angle du champ magnétique. Φ est l’angle de la projection du champ magnétique dans le plan.φ repère l’angle de l’aimantation dans le plan par rapport à la direction des barrettes de forme.

Exploitation des symétries du pont de Wheatstone

On met à présent à profit les symétries de champs effectifs de couple sur les différentes branches du pont de Wheatstone présentées figure 6.11b et leur influence sur une mesure de résistance transverse du pont (effet AMR).

— Le couple ’field-like’ étant équivalent en régime statique à un champ magnétique effectif, la mesure de sa composante dans la direction sensible du pont de Wheatstone donne directement sa valeur. Celle-ci s’exprime directement en configuration angulaire par un déplacement de la sensibilitéR(ψ) vis à vis d’une référence. La symétrie du système donne cette composante de ’field-like’ comme un décalage angulaire des caractéristiquesRH,j(ψ) vs. RH,−j(ψ) ou

RH,j(ψ) vs R−H,j(ψ).

— Il faut toutefois noter que la comparaison des caractéristiques RH,j(ψ) et RH,−j(ψ) ne permet pas de mettre en

évidence, à ce stade, la composante Slonczewski (ou anti-damping) de torque décrite précédemment. Le décalage en angle (ψ) indique la présence d’une composante field dans la direction de l’axe facile (x) d’aimantation de l’élément actif AMR (Fig. 6.12).

— Dans cette géométrie de pont, la détection de la composante de type Slonczewski-like nécessite de comparer les caractéristiquesRH,j(ψ) et R−H,−j(ψ) ou (RH,−j(ψ) et R−H,j(ψ) ).

Cette composante de type Slonczewski se manifeste par une différence de champ effectif selon l’axe facile d’aimantation des barrettes. Ceci s’exprime, comme indiquera le résultat des simulations, par une différence d’anisotropie effective dans les deux branches du pont et donc à un effet cross-axe effectif.