Theses Year : 2024

Energy-efficient magnetization control by picosecond spin-orbit torques

Contrôle énergétiquement efficace de l'aimantation par des couples de spin-orbite à la picoseconde

Eva Díaz

Abstract

The increasing demand for high-speed, low-power memory solutions calls for the development of alternatives to the increasingly costly CMOS-based memory technologies. Spintronic devices, harnessing the electron's spin in addition to its charge, appear as a promising alternative. In such devices, data is stored in magnetic bits that don't require a constant power supply to retain its information, providing a path towards energy-efficient memory. Significant progress has been made over the past 40 years in controlling spin and magnetic materials at high speeds. Among the various methods explored for this purpose, the spin-orbit torque mechanism is a leading candidate for the next generation of magnetic memories. In 2020, the fastest magnetization switching induced by this mechanism was achieved using a 6 ps pulse in a cobalt film. Furthermore, subsequent studies revealed that switching dynamics are well described by a macrospin model, suggesting coherent magnetization dynamics across the entire film at ultrafast timescales. Since switching by spin-orbit torques has typically been understood through the nucleation and propagation of magnetic domains, the above-described findings raise important questions about the present mechanisms and the implications in moving towards shorter pulses. This doctoral thesis aims to characterize the critical currents and energy costs of the spin-orbit torque switching mechanism in the picosecond regime, providing insights into the physics at play and new pathways towards ultrafast switching by electrical means. The key achievements of this work can be summarized as: - The successful on-chip calibration of picosecond pulses in a waveguide in real units of amplitude, current, and power delivery, enabling full electrical signal characterization. The calibration system works in practice as an on-chip high-frequency oscilloscope, a versatile technique that can be applied to research in the terahertz band. - The first-ever characterization of the critical currents and energy costs of spin-orbit torque in the picosecond regime. Contrary to prior predictions, energy costs were found to decrease significantly towards the picosecond scale, revealing an emerging energy efficiency due to out-of-equilibrium physics induced by ultrafast current injection.
La demande croissante de solutions de mémoire à grande vitesse et à faible consommation d'énergie requiert le développement d'alternatives aux technologies de mémoire CMOS, de plus en plus coûteuses. Les dispositifs spintroniques, exploitant le spin de l'électron en plus de sa charge, apparaissent comme une alternative prometteuse. Dans ces dispositifs, les données sont stockées dans des bits magnétiques qui ne nécessitent pas une alimentation électrique constante pour conserver leurs informations, ouvrant ainsi la voie à une mémoire économe en énergie. Au cours des 40 dernières années, des progrès considérables ont été réalisés dans le contrôle du spin et des matériaux magnétiques à grande vitesse. Parmi les différentes méthodes explorées à cette fin, le mécanisme des couples spin-orbite est l'un des principaux candidats pour la prochaine génération de mémoires magnétiques. En 2020, le retournement d'aimantation le plus rapide induit par ce mécanisme a été réalisé en utilisant une impulsion de 6 ps dans un film de cobalt. De plus, des études ultérieures ont révélé que la dynamique de retournement est bien décrite par un modèle de macrospin, suggérant une dynamique de magnétisation cohérente sur l'ensemble du film à des échelles de temps ultrarapides. Étant donné que le retournement des couples spin-orbite est généralement accepté comme étant dominé par des mécanisme de nucléation et de propagation de domaines magnétiques, les résultats décrits ci-dessus soulèvent d'importantes questions. Cette thèse de doctorat vise à caractériser les courants critiques et les coûts énergétiques du mécanisme de retournement par les couples spin-orbite dans le régime picoseconde, fournissant ainsi un aperçu de la physique en jeu et de nouvelles voies vers un retournement ultrarapide par des moyens électriques. Les principales réalisations de ce travail peuvent être résumées comme suit : - L'étalonnage réussi sur puce d'impulsions picosecondes dans un guide d'ondes en unités réelles d'amplitude, de courant et de puissance délivrée, permettant une caractérisation complète du signal électrique. Le système d'étalonnage fonctionne en pratique comme un oscilloscope haute fréquence intégré, une technique polyvalente qui peut être appliquée à la recherche sur la bande terahertz. - La toute première caractérisation des courants critiques et des coûts énergétiques des couples spin-orbite en régime picoseconde. Contrairement aux prévisions antérieures, les coûts énergétiques ont diminué de manière significative vers l'échelle de la picoseconde, révélant une efficacité énergétique émergente due à une physique hors équilibre induite par l'injection de courant ultrarapide.
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Dates and versions

tel-04919663 , version 1 (29-01-2025)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04919663 , version 1

Cite

Eva Díaz. Energy-efficient magnetization control by picosecond spin-orbit torques. Physics [physics]. Université de Lorraine, 2024. English. ⟨NNT : 2024LORR0132⟩. ⟨tel-04919663⟩
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