Depuis sa prédiction, le transfert de spin est devenu un sujet de recherche important et certaines applications ont déjà été commercialisées. Cependant, ce domaine laisse encore de nombreuses questions quant aux processus physiques mis en jeu. Notre travail s'est consacré à l'étude de la dynamique d'aimantation sous l'effet de transfert de spin dans des vannes de spin avec une aimantation perpendiculaire au plan, ces dernières présentant une meilleure efficacité. Pour cela, nous avons dans un premier temps développé un programme de simulation macrospin que nous avons par la suite confronté aux résultats expérimentaux. Notre étude s'est d'abord focalisée sur les diagrammes d'état champ-courant, qui donnent une perspective globale du comportement de l'aimantation. Nous avons pu montrer que le champ extérieur ou l'anisotropie sont capables de briser la symétrie du système et ainsi expliquer la différence entre prédictions et observations. Nous avons ensuite mis en évidence des états cantés, qui sont des états où l'aimantation est figée à un angle précis. La dernière partie de cette thèse fut consacrée à la dynamique d'aimantation à différentes échelles de temps de la seconde à la centaine de picosecondes. C'est ainsi que nous avons pu constater les limites du modèle macrospin, incapable d'expliquer les résultats expérimentaux. Nous nous sommes alors tournés vers un modèle micromagnétique, et avons pu montrer qu'il permet de mieux décrire les résultats expérimentaux / Ever since its prediction, spin transfer has spawned a lot of interest, and some applications have already been commercialized. However the spin transfer effect is still not fully understood. This thesis focused on magnetization dynamics and spin transfer effect in spin valves with out of plane magnetization, proven to be more efficient. With this in mind, we developped a software simulating magnetization dynamics in spin valve. We then confronted the software with experimental results to check our model and its hypotheses veracity. Another part of this thesis was to study current-field state diagrams, which offer a global perspective on magnetization behavior. We managed to show the applied field and the anisotropy could produce a symmetry breaking of the system and thus explain the experimental results. We were also able to highlight canted states of the magnetization. Those are frozen states of the magnetization for certain angles. The last part describes magnetization dynamics at different time scales from a second to a hundred picoseconds. We showed the macrospin model is not appropriate for short current pulses, although we could highlight the influence of some parameters. We finally the micromagnetics model allowed for a better description of the experimental results

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Cette thèse rassemble des travaux réalisés dans le cadre du transfert de la technologie des mémoires TAS-MRAM (acronyme pour mémoires magnétiques à accès aléatoire à écriture assistée thermiquement) entre le laboratoire Spintec et la société Crocus-Technology. L'objectif de cette thèse était de trouver des solutions permettant le fonctionnement des TAS-MRAM sur une gamme de température(-s) étendue(-s). Le stockage de l'information dans les TAS-MRAM repose sur le piégeage d'une couche ferromagnétique par couplage d'échange avec une couche antiferromagnétique (AF). Mon travail a consisté à étudier l'écriture des cellules mémoires TAS-MRAM en utilisant deux AFs d'épaisseur variable, l'IrMn dans un premier temps, puis le FeMn. L'utilisation de ce type de cellules mémoires a permis d'accéder à des temps de chauffage très courts afin d'étudier l'influence de l'activation thermique, dans une gamme de temps allant de 10ns à 100µs. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence le rôle de l'activation thermique dans l'écriture des points mémoires, pour l'ensemble des épaisseurs choisies des deux AF et ce dans l'étendue complète de la gamme de temps de chauffage explorée. Ils ont montré également que l'augmentation de l'épaisseur de l'AF permet d'augmenter la stabilité thermique de l'information dans la mémoire. Néanmoins, en augmentant l'épaisseur d'IrMn, le rôle réduit de l'activation thermique pour les durées de chauffage les plus courtes aboutit à des températures d'écriture trop élevées. Le FeMn en revanche s'est révélé être un bien meilleur candidat pour la réalisation de TAS-MRAM en montrant qu'il était possible d'obtenir une stabilité thermique identique à celle de l'IrMn tout en permettant de réduire les températures d'écritures pour les impulsions de chauffages les plus courtes. Les résultats suggèrent que la température de Néel du FeMn, plus basse que celle de l'IrMn est à l'origine de cette différence de température d'écriture lorsque le rôle de l'activation thermique diminue.

L'essor du domaine de l'électronique de spin a stimulé l'étude des propriétés de films minces ferromagnétiques utilisés pour la rétention et la lecture de l'information magnétique. Les films minces antiferromagnétiques, bien que mis en exergue par la démonstration de l'effet GMR dans des super-réseaux Fe/Cr, n'ont qu'un rôle auxiliaire dans ces dispositifs. Des études théoriques récentes proposent néanmoins de leur conférer un rôle actif avec des propriétés distinctes et compétitives, en remplacement des films ferromagnétiques. Contrairement aux couches ferromagnétiques, les films antiferromagnétiques ont été l'objet de beaucoup moins de travaux expérimentaux : l'ordre antiferromagnétique ne peut être étudié que par quelques techniques spécifiques, telles que la diffraction de neutrons. Au cours de cette thèse, nous avons examiné un système modèle pour l'électronique de spin, constitué d'une couche mince de chrome (001), archétype de matériau antiferromagnétique itinérant, et d'une couche d'oxyde de magnésium (001), barrière cristalline la plus largement utilisée. Nous avons montré qu'il était possible de contrôler l'anisotropie magnétique et l'ordre magnétique de l'antiferromagnétique grâce à une maîtrise fine des conditions de croissance et grâce au dopage par le Fe. Une étude détaillée par photoémission a permis d'approfondir les preuves du couplage du magnétisme et de la structure électronique du Cr, et en particulier de mettre en évidence des états de surface et d'interface polarisés. Ces résultats ont été complétés par la détermination du moment ferromagnétique d'interface du Cr/MgO (001) par réflectivité de neutrons. Enfin, en tirant parti de ce socle de connaissance, nous avons pu comprendre et interpréter le magnétisme caractéristique d'hétérostructures de Cr comportant une barrière cristalline fine de MgO, comme la signature d'un couplage tunnel intercouches / The development of spintronics has stimulated the study of ferromagnetic thin films, used for magnetic data recording and reading. Although the GMR effect has been demonstrated in Fe/Cr superlattices, antiferromagnetic thin films only play an auxiliary role for these devices. Recent theoretic studies however proposed they could play a more active role, replacing ferromagnetic thin films, with competitive and distinct properties. Contrary to ferromagnetic layers, antiferromagnetic thin films have been much less experimentally examined because specific techniques (like neutron diffraction) are needed to that purpose, beyond usual characterization means. During this thesis work, we examined a model system for spintronics consisting in a thin film of chromium (001), an archetypal itinerant antiferromagnet, and a (001) magnesium oxide layer, widely used as a crystalline tunnel barrier in spintronic devices. We have demonstrated the possibility to control the magnetic anisotropy and the magnetic order of the antiferromagnet by mastering the growth conditions, and by doping Cr with Fe. Thanks to a detailed photoemission study, we have extended proofs of the interplay between magnetism and electronic structure in Cr, and in particular, we have evidenced surface and interface polarized states. By completing these results with neutron reflectivity experiments, we determined the magnitude of the ferromagnetic moments at the Cr/MgO(001) interface. Finally, by exploiting this gathered amount of knowledge, we succeeded in understanding and interpreting the characteristic magnetism observed in Cr/MgO heterostructures with thin tunnel barriers as the sign of a tunnel interlayer coupling

L’objectif de cette thèse est la réalisation expérimentale de calcul bio-inspiré en utilisant la dynamique transitoire d’oscillateurs magnétique nanométriques.Pour bien des tâches telle que la reconnaissance vocale, le cerveau fonctionne bien plus efficacement en terme d’énergie qu’un ordinateur classique. Le développement de puces neuro-inspirées offre donc la perspective de surmonter les limitations des processeurs actuels et de gagner plusieurs ordres de grandeurs sur la consommation énergétique du traitement de données. L’efficacité du cerveau à traiter des données est due à son architecture, qui est particulièrement adaptée à la reconnaissance de motifs. Les briques de base de cette architecture sont les neurones biologiques. Ceux-ci peuvent être vus comme des oscillateurs non linéaires qui interagissent et génèrent des cascades spatiales d’activations en réponse à une excitation. Cependant le cerveau comprend cent milliards de neurones et le développement d’une puce neuro-inspiré requerrait des oscillateurs de très petite dimension. Les oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont de taille nanométrique, ont une réponse rapide (de l’ordre de la nanoseconde), sont fortement non-linéaires et leur réponse dépendante du couple de transfert de spin est aisément ajustable (par exemple par l’application d’un courant continu ou d’un champ magnétique). Ils fonctionnent à température ambiante, ont un très faible bruit thermique, et sont compatible avec les technologies CMOS. Ces caractéristiques en font d’excellents candidats pour la réalisation de réseaux artificiels de neurones compatibles avec un ordinateur classique.Dans cette thèse, nous avons utilisé un unique STNO pour générer le comportement d’un réseau de neurones. Ainsi l’oscillateur joue à tour de rôle chaque neurone. Une cascade temporelle remplace donc la cascade spatiale d’un réseau de neurones biologiques. En particulier nous avons utilisé la relaxation et la dépendance non-linéaire de l’amplitude des oscillations afin de réaliser du calcul neuromorphique. L’un des résultats principaux de cette thèse est la réalisation de reconnaissance vocale (reconnaissance de chiffres dits par 5 locuteurs différents) en obtenant un taux de reconnaissance à l’état de l’art de 99.6%. Nous avons pu montrer que les performances de la reconnaissance sont étroitement dépendantes des propriétés physiques du STNO tel que l’évolution de la largeur de raie, la puissance d’émission, ou la fréquence d’émission. Nous avons donc optimisé les conditions expérimentales (champs magnétiques et courant continu appliqués, fréquence du signal à traiter) afin de pouvoir utiliser au mieux les propriétés physiques du STNO pour la reconnaissance.  Les signaux vocaux requièrent d’être transformés du domaine temporel au domaine fréquentiel, avant de pouvoir être traités, et cette étape est réalisée numériquement en amont de l’expérience. Nous avons étudié l’influence de différents prétraitements sur la reconnaissance et mis en évidence le rôle majeur de la non-linéarité de ces derniers. Enfin, afin de pouvoir traiter des problèmes requérant de la mémoire, tel que par exemple des signaux sous forme de séquences temporelles, nous avons mesuré la mémoire que possède intrinsèquement un STNO, du fait de sa relaxation. Nous avons aussi augmenté cette mémoire à l’aide d’une boucle à retard. Ce dispositif a permis d’accroître la plage de mémoire de quelques centaines de nanosecondes à plus d’une dizaine de microsecondes. L’ajout de cette mémoire extrinsèque a permis de supprimer jusqu’à 99% des erreurs sur une tâche de reconnaissance de motifs temporels (reconnaissance de signaux sinusoïdaux et carrés). / This thesis studies experimentally the transient dynamics of magnetic nano-oscillators for brain-inspired computing.For pattern recognition tasks such as speech or visual recognition, the brain is much more energy efficient than classical computers. Developing brain-inspired chips opens the path to overcome the limitations of present processors and to win several orders of magnitude in the energy consumption of data processing. The efficiency of the brain originates from its architecture particularly well adapted for pattern recognition. The building blocks of this architecture are the biological neurons, which can be seen as interacting non-linear oscillators generating spatial chain reactions of activations. Nevertheless, the brain has one hundred billion neurons and a brain-inspired chip would require extremely small dimension oscillators. The spin-transfer torque oscillators (STNO) have nanometric size, they are fast (nanosecond time-scales), highly non-linear and their spin-torque dependent response is easily tunable (for instance by applying an external magnetic field or a d.c. current). They work at room temperature, they have a low thermal noise and they are compatible with CMOS technologies. Because of these features, they are excellent candidates for building hardware neural networks, which are compatible with the standard computers.In this thesis, we used a single STNO to emulate the behavior of a whole neural network. In this time multiplexed approach, the oscillator emulates sequentially each neuron and a temporal chain reaction replace the spatial chain reaction of a biological neural network. In particular, we used the relaxation and the non-linear dependence of the oscillation amplitude with the applied current to perform neuromorphic computing. One of the main results of this thesis is the demonstration of speech recognition (digits said by different speakers) with a state-of-the-art recognition rate of 99.6%. We show that the recognition performance is highly dependent on the physical properties of the STNO, such as the linewidth, the emission power or the frequency. We thus optimized the experimental bias conditions (external applied magnetic field, d.c. current and rate of the input) in order to leverage adequately the physical properties of the STNO for recognition. Voice waveforms require a time-to-frequency transformation before being processed, and this step is performed numerically before the experiment. We studied the influence of different time-to-frequency transformations on the final recognition rate, shading light on the critical role of their non-linear behavior. Finally, in order to solve problems requiring memory, such as temporal sequence analysis, we measured the intrinsic memory of a STNO, which comes from the relaxation of the oscillation amplitude. We also increased this memory, using a delayed feedback loop. This feedback improved the range of memory from a few hundreds of nanoseconds to more than ten microseconds. This feedback memory allows suppressing up to 99% of the errors on a temporal pattern recognition task (discrimination of sine and square waveforms).

Les mémoires magnétiques à accès aléatoires (ou MRAM) sont récemment entrées en production. Ce travail de thèse vise à évaluer et caractériser les problèmes potentiels de fiabilité dus à l'introduction de la partie magnétique dans les mémoires MRAM. <br /> Je décris tout d'abord en détail les principes physiques à la base du fonctionnement aussi bien électrique que magnétique des jonctions tunnels magnétiques qui sont au cœur des mémoires magnétiques. Je me suis attachée à chaque étape à identifier les nouveaux facteurs susceptibles d'intervenir dans la fiabilité (par rapport à un processus CMOS classique), en essayant de donner une évaluation quantitative de leur impact éventuel.<br /> Sur cette base, j'ai essayé d'établir et de tester un procédé de caractérisation d'un effet critique de la MRAM : la non-volatilité, qui puisse ensuite être utilisé sur des éléments isolés d'un wafer comme point de vérification de la qualité magnétique du circuit. Nous avons choisi de comparer des calculs de barrière d'énergie à une mesure réelle de la barrière sur des échantillons élaborés dans le cadre de l'Alliance Crolles 2.<br /> Enfin, j'ai mené une étude sur un autre type de structure de mémoires magnétiques faisant intervenir un déplacement de parois magnétiques à l'aide d'un courant. Cette étude visait à estimer, une fois encore, la barrière énergétique de ces nouvelles structures. Nous avons essayé de démontrer qu'elles seraient une perspective intéressante pour la miniaturisation des mémoires magnétiques.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale de la dynamique de l'aimantation induite par le couple de transfert de spin dans des nanopiliers magnétiques. La découverte récente qu'un courant polarisé en spin peut exercer, via un transfert de moment angulaire de spin, un couple sur l'aimantation d'un matériau ferromagnétique offre un nouveau moyen pour manipuler une aimantation sans appliquer de champ externe. Ce couple dit de "transfert de spin" peut, pour un courant suffisamment élevé, retourner l'aimantation ou dans d'autre conditions, générer des états de précessions entretenus de l'aimantation associées à la génération de micro-ondes. Dans cette thèse, nous avons étudié l'effet de transfert de spin dans des structures magnétiques spécifiques de type Co/Cu/Ni80Fe20, dans lesquelles une dépendance angulaire du couple non strandard, dite "oscillante", est prédite par les modèles diffusifs de transfert de spin. Ce couple "oscillant" modifie profondément la dynamique de l'aimantation induite par le couple de transfert de spin et permet en particulier d'obtenir des états de précession de l'aimantation sans champ appliqué, uniquement en injectant un courant continu dans la structure. Les caractérisations en transport statique et les mesures haute-fréquence effectuées sur des nanopiliers magnétiques à couple oscillant ont permis de mettre clairement en évidence la présence de modes de précession entretenue de l'aimantation à champ faible et même à champ nul, en accord avec les prédictions des modèles. Elles montrent par ailleurs des caractéristiques dynamiques induites par le courant inédites, qui peuvent s'expliquer par des simulations macrospin de la dynamique de l'aimantation. Ce travail de thèse apparaît comme un test réussi des modèles diffusifs de transfert de spin et ouvre la voie à un nouveau type d'oscillateur à transfert de spin qui ne nécessite pas de champ appliqué.

Ce travail traite de nouveaux semiconducteurs magnétiques dilués (DMS) pouvant avoir une<br />température de Curie supérieure à l'ambiante : (Ga,Mn)N et (Zn,Cr)Te. Des études antérieures<br />ont montré dans ces deux matériaux la même valence d4 pour les ions de transitions et des<br />propriétés ferromagnétiques (parfois paramagnétiques pour (Ga,Mn)N).<br />Une étude magnéto-spectroscopique sur la transition interne d-d du Mn à 1,4 eV dans des<br />couches de (Ga,Mn)N très diluées, moins de 0,1%, a permis de développer un modèle de champ<br />cristallin pour Mn3+ (3d4) en introduisant un eet Jahn-Teller dynamique. Cette hypothèse du<br />Mn dans la conguration d4 est également valable pour les concentrations de quelques %. De<br />plus, un dichroïsme circulaire magnétique au gap, en accord avec les mesures d'aimantation est<br />observé : nous obtenons un DMS classique avec un couplage spin-porteurs, et un comportement<br />paramagnétique. L'anisotropie mesurée est cependant plus faible que celle calculée à partir des<br />paramètres spectroscopiques.<br />Les mesures d'aimantation, de dichroïsme circulaire magnétique et d'eet Hall sur (Zn,Cr)Te<br />ont montré des propriétés ferromagnétiques associées à un désordre important. Contrairement<br />aux DMS classiques, le dichroïsme observé n'est pas dû à des transitions au gap mais à une<br />bande profonde. L'état ferromagnétique n'est pas induit par des porteurs mais il est modulable :<br />une conduction de type p obtenue après dopage par de l'azote supprime le ferromagnétisme, sans<br />doute suite à un changement de la valence du Cr.

La magnétite Fe3O4, bien qu'elle soit le plus ancien matériau magnétique connu, est l'objet de problématiques pertinentes pour la physique d'aujourd'hui. Depuis le milieu des années 1990, ce matériau a été revisité dans le cadre du développement de l'électronique de spin. En effet, les calculs de bandes lui ont prédit un caractère demi-métallique qui, associé à sa haute température d'ordre magnétique (850~K), laisse espérer des effets magnétorésistifs importants à température ambiante. Fe3O4 possède en outre des propriétés électriques originales: mécanisme de transport par saut, forte résistivité à basse température, transition métal-isolant. Nous avons étudié les propriétés de couches minces de Fe3O4 épitaxiées par ablation laser. Leur magnétisme présente des particularités liées à des hétérogénéités de composition ou aux défauts structurels propres à ces couches (parois d'antiphase). Nous avons ensuite réalisé des structures multicouches mettant en évidence pour la première fois des effets magnétorésistifs propres aux oxydes, notamment un effet de magnétorésistance géante spéculaire et un effet de magnétorésistance sans espaceur.

Ce travail se situe dans un cadre d'étude de matériaux et de structures présentant les propriétés physiques recherchées pour de futures applications en électronique de spins. Les semi-conducteurs magnétiques dilués sont de bons candidats à l'utilisation simultanée de la charge et du spin des électrons ou des trous. Nous exploitons la possibilité d'induire une polarisation de spins totale, d'un gaz de trous 2D dans un puits quantique de (Cd,Mn)Te dopé par modulation ; et ceci à faible champ magnétique. L'accent est mis sur l'identification des niveaux d'énergie mis en jeu lors de la photoluminescence, ainsi que les énergies caractéristiques du système (énergie de liaison du trion positif dans l'état singulet, excitations et polarisation du gaz 2D), en fonction du champ magnétique et de la densité de trous. Nous démontrons aussi que l'aimantation d'un puits quantique de (Cd,Mn)Te, inséré dans une structure de diode pin, peut être contrôlée par l'application d'une tension électrique.