Effets du couple de transfert de spin et des champs Rashba et Oersted sur la dynamique de parois – ESPERADO

Le déplacement de parois magnétiques induit par un courant électrique à travers l’effet de couple de transfert de spin (STT) a attiré beaucoup d’attention ces dernières années, de par ses possibles applications dans la logique magnétique et l’enregistrement magnétique mais aussi par les riches phénomènes physiques associés. Au sein d’un projet ANR précédent (DYNAWALL-PNANO 2007) les partenaires ont fait des progrès remarquables aussi bien dans la compréhension du STT que dans l’amélioration des propriétés des matériaux utilisés pour le déplacement de parois. Notamment, des vitesses de déplacement de plusieurs centaines de mètres par seconde – les plus hautes reportées dans la littérature - ont été obtenues pour des nanostructures de Pt/Co/AlOx et dans des vannes de spin NiFe/Cu/Co où le STT est particulièrement efficace.
Dans ce projet, les phénomènes physiques nouveaux mis en lumière par DYNAWALL seront explorés dans le but de mieux les comprendre et d’optimiser les matériaux utilisés pour le STT. D’un coté, des papiers théoriques ont montré qu’un fort taux de spin-flip des électrons de conduction conduit à une efficacité du STT importante. Dans le volume, la source principale de spin-flip est l’interaction spin-orbite (SOI). Nous étudierons des matériaux où cette SOI est plus grande que dans les matériaux magnétiques classiques, en dopant des métaux ou en utilisant des oxydes de façon à ce que les électrons de conduction soient plus de symétrie p ou d, avec une SOI plus importante que des s purs. Un autre moyen d’augmenter le taux de spin-flip, démontré dans DYNAWALL pour le système Pt/Co/AlOx, est d’utiliser une couche ultramince magnétique en sandwich entre deux matériaux différents (un système à asymétrie d’inversion structurale). Dans ce cas, un champ électrique non nul est présent dans la couche magnétique donnant lieu à une interaction Rashba. Cette interaction interfaciale conduit à un terme spin-orbite et donc à un spin-flip important. Néanmoins, l’interaction Rashba agit aussi directement sur l’aimantation de la couche magnétique, de par le couplage s-d entre les électrons de conduction et l’aimantation locale. Un but important de ce projet est de mieux comprendre l’effet de cette interaction Rashba sur la dynamique de l’aimantation et le déplacement des parois, par des expériences de transport et de microscopie ainsi que par des calculs et des simulations micromagnétiques sur des nouveaux matériaux optimisés.
Un autre effet important que nous avons mis en évidence est l’influence de la géométrie du courant sur l‘efficacité du STT dans des tricouches NiFe/Cu/Co. D’une part, une composante du courant perpendiculaire aux couches peut donner une contribution supplémentaire très efficace au déplacement de parois. D’autre part, un champ magnétique (Oersted) non nul transverse aux nanostructures agit sur l’aimantation du NiFe. Nous étudierons séparément l’influence de ces deux phénomènes sur l’efficacité élevée du STT dans ces tricouches. L’injection d’un courant purement perpendiculaire aux couches sera effectuée dans des systèmes en vannes de spin ou des jonctions tunnel magnétiques. L’effet du champ Oersted seul sera étudié dans des nanostructures de bicouches de NiFe avec un métal non-magnétique de différentes épaisseurs, permettant de modifier le champ Oersted pour un courant et donc un STT donné.
Le succès de DYNAWALL a été bâti sur nos compétences complémentaires dans la fabrication des matériaux, les mesures de transport et de microscopie, les calculs et les simulations micromagnétiques. L’utilisation de microscopies à haute résolution spatiale permettra d’observer directement l’effet du STT, de l’interaction Rashba et/ou du champ Oersted sur l’aimantation pendant les impulsions de courant. L’étude de systèmes montrant une physique originale avec des outils de caractérisation et de simulation uniques permettra aux partenaires de rester sur le devant de la scène internationale.