Spin transfer and magnetization dynamics
Transfert de spin et dynamique de l'aimantation
Résumé
In this text we present a detailed analysis of the magnetization dynamics in nano-structures when subjected to spin torque, using numerical simulations. We focused on current-induced precession states in spin-valve nano-pillars, where spectral signature can be directly compared to experimental results. Two types of calculations have been done, one based on the macro-spin approximation and the others done in the micro-magnetic framework. In the first case, simulations predict correctly excited states when spin polarisation and applied field directions are aligned with the nano-pillar long axis. We find the two regimes described in the literature: hysteretic switching and precession states stabilized above a current threshold. We give an analytic form for critical current that is in accordance with experimental data. The motion of the spatially average magnetisation calculated in micro-magnetic simulations is found to be similar. We reveal that excitation distribution in the free layer is inhomogeneous at low current, and this state corresponds to the eigen-modes of the system. In plane precession regime is quite uniform, whereas out-of-plane precession states are highly disordered. We have also examined systems where electron spin-polarisation and applied field directions are not aligned. Micro-magnetic simulations show that frequency jumps as a function of current correspond to abrupt changes in excitation distribution. We note that these modes are markedly more localised than in the axial case and the resonance peaks are much narrower. Long-term coherence of these oscillations can not be understood in the single-domain model. We extend this analysis by computing peak line-widths near the critical current for sustained precession, results being in this case in good agreement with recent literature. We present a simple model that explains both the lorentzian peak profile and the linear dependence of width as a function of temperature observed in calculations. But quantitative comparison with experiments still remains delicate.
Dans ce manuscrit, nous présentons, au moyen de simulations numériques, une analyse de la dynamique de l'aimantation dans une nano-structure, lorsque soumise au phénomène de transfert de spin. Nous nous sommes en particulier intéressés aux états de précession entretenus par le courant dans un nano-pilier, dont la signature fréquentielle peut être comparée directement aux mesures expérimentales. Deux types de calculs ont été effectués, les uns basés sur l'hypothèse macro-spin, les autres dans le cadre micromagnétique. Dans le premier cas, les simulations décrivent correctement les états excités lorsque la polarisation des électrons et le champ appliqué sont alignés avec l'axe du nano-pilier. Nous retrouvons le régime de renversement hystérétique et le régime où sont observés des états de précession de grand angle au-delà d'un courant seuil. Nous donnons une expression analytique pour les courants critiques, en bon accord avec les mesures. Le comportement de la moyenne de l'aimantation calculée dans le modèle micro-magnétique est similaire. Il révèle cependant que la distribution d'excitation est fortement inhomogène à bas courant, et qu'elle correspond aux modes propres de la couche libre. Le régime de précession dans le plan est relativement uniforme, tandis que le régime hors du plan est quant à lui très désordonné. Nous avons également examiné des systèmes où la polarisation et le champ externe ne sont pas alignés. Les calculs micromagnétiques montrent que les sauts de fréquence correspondent à des changements de la distribution d'excitation. Nous notons à la fois que les modes sont globalement plus localisés que dans le cas axial et que les résonances sont nettement plus fines. La cohérence des oscillations est assurée par des mécanismes qui ne sauraient être compris par le modèle du macro-spin. Par ailleurs le comportement de la largeur de raie estimée au voisinage du seuil d'excitation des états de précession est cohérente avec les expériences et les théories récentes. Nous proposons un modèle analytique prédisant bien le profil lorenzien des pics et la dépendance linéaire en fonction de la température de la largeur de raie calculée numériquement, même si la comparaison aux mesures reste délicate.