Thèse Etude du Renversement d'Aimantation Thermiquement Assisté dans les Jonctions Tunnels Superparamagnétiques Sous Courants Électriques H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : PHYS - Physique Laboratoire de recherche : Spintronique et Technologie des Composants Direction de la thèse : Liliana BUDA-PREJBEANU ORCID 000000026105151X Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-31T23:59:59 La spintronique propose d'adresser le défi énergétique auquel sont confrontées les technologies de l'information en encodant l'information dans le spin des électrons, en plus de leur charge. Les jonctions tunnel magnétiques (magnetic tunnel junctions - MTJs), éléments constitutifs de la technologie de mémoire vive magnétique (magnetic random access memory - MRAM), sont actuellement envisagées comme des neurones stochastiques pour des applications de calcul non conventionnels, probabilistes et bio-inspirés a très faible consommation énergétique. À cette fin, les jonctions sont conçues de manière à ce que les fluctuations thermiques puissent inverser aléatoirement l'aimantation de la couche magnétique libre sur une échelle de temps de quelques secondes ou moins. Ces jonctions sont appelées jonctions tunnel superparamagnétiques (SMTJs).Le contrôle des temps de séjour moyens de l'aimantation peut être réalisé par l'application d'un courant électrique, permettant également le couplage entre les jonctions. Les courants exercent des couples de transfert de spin (spin transfer torques- STT) sur l'aimantation de la couche libre. La physique de l'inversion d'aimantation assistée thermiquement sous STT est mal décrite théoriquement, les modèles analytiques existants se limitant à une description macrospin (domaine unique) et à des densités de courant négligeables ou surcritiques.

L'objectif de cette thèse est de combler cette lacune et d'étudier, par des simulations numériques et des développements analytiques et développements de code, l'inversion d'aimantation assistée thermiquement dans des SMTJs à aimantation perpendiculaire sous différentes densités de courant. Les travaux porteront d'abord sur une seule SMTJ, puis s'étendront à plusieurs SMTJ couplées électriquement. Les temps de résidence calculés seront comparés aux mesures expérimentales réalisées au laboratoire SPINTEC, et serviront à orienter le développement de schémas de calcul non conventionnels. Les temps de séjour moyens sont décrits par la loi d'Arrhenius :
= exp(dE/kT), où dE est la barrière d'énergie, kT l'énergie thermique et un facteur pré-exponentiel. Bien qu'il soit courant en magnétisme de considérer comme une échelle de temps caractéristique de la dynamique, de l'ordre de quelques nanosecondes, ce facteur pré-exponentiel inclut en réalité une importante contribution entropique liée au nombre de chemins possibles vers l'état de transition, et peut varier sur une large gamme d'ordres de grandeur [3: Desplat & Kim, Phys. Rev. Lett. 125, 107201 (2020)].

Ces considérations s'appliquent à l'équilibre thermodynamique, en l'absence de stimuli externes. Dans ces conditions, un bon accord entre la théorie et les mesures expérimentales a été obtenu pour des courants électriques négligeables, permettant ainsi de démontrer un fonctionnement stochastique à l'échelle de la nanoseconde dans les MTJs a aimantation perpendiculaire [4: Soumah, Desplat et al. Phys. Rev. Appl. 24, L011002 (2025)].

Cependant, pour contrôler l'aimantation, il est généralement nécessaire d'appliquer des courants électriques non négligeables à ces systèmes. En particulier, pour les applications de calcul, les MTJs individuelles sont typiquement couplées électriquement.

Les courants électriques exercent des couples de transfert de spin (Spin Transfer Torque - STT) sur la couche magnétique libre. Des modèles analytiques ont été développés pour décrire l'impact des STTs sur les temps de séjour moyens dans une représentation macrospin, mais ils ne tiennent pas compte des degrés de liberté supplémentaires de l'aimantation et sont limités à des densités de courant sous-critiques [5: Sun, Phys. Rev. B, 62, (2000)] ou négligeables [6: Li & Zhang, Phys. Rev. B, 69(13) (2004)], tandis que les MTJs opèrent généralement dans un régime de courant intermédiaire, où le renversement d'aimantation est thermiquement assisté. L'objectif de cette thèse est d'étudier théoriquement l'influence des courants électriques sur les temps de séjour moyens des jonctions tunnel magnétiques à aimantation perpendiculaire. Les efforts se concentreront premièrement sur une seule jonctions, pour ensuite étudier plusieurs jonctions couplées électriquement par le biais du STT.
Ces travaux orienteront les efforts expérimentaux menés au sein de SPINTEC et de laboratoires partenaires pour développer une machine d'Ising et un réseau de neurones composés de MTJs, dans le cadre du projet européen SPINCHIP. La thèse s'articulera autour du développement de codes, simulations numériques, et développements théoriques. Les paramètres magnétiques seront obtenus expérimentalement au sein du groupe IA de P. Talatchian à SPINTEC, et les résultats des simulations seront comparés aux mesures expérimentales des temps de résidence.

La première approche consiste en la résolution numérique des équations stochastique couplées de Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski régissant la dynamique d'aimantation sous fluctuations thermiques et couples de transfert de spin [7 : Xiao, Zangwill, & Stiles, Phys. Rev. B, 72, 014446 (2005)]. Comme les inversions d'aimantation sont généralement rares à l'échelle des pas de temps nécessaires a la résolution de la dynamique, une première étape consistera à implémenter puis utiliser la méthode d'échantillonnage du 'forward flux sampling' (FFS) [8 : Desplat & Kim, Phys Rev Appl. 14, 064064 (2020)] dans un code micromagnétique aux différences finies accéléré par GPU tel que magnum.np [9: Bruckner et al., Sci. Repl. 13, 12054 (2023)]. Le choix du paramètre d'ordre sera guidé par le calcul de barrières d'énergie par des méthodes de recherche de chemin d'énergie minimum (eg : string method [10 :Ren & Vanden-Eijnden, The J. of Chem. Phys. 126 (2007)]).

Une seconde approche potentielle s'articule autour de la résolution de l'équation de Fokker-Planck non linéaire pour la dynamique de l'aimantation sous STT, en collaboration avec P. Thibeaudeau (CEA/DAM) [11 : Tranchida, Thibaudeau & Nicolis, Phys. Rev. E, 98, 042101 (2018)], qui permet un accès direct à l'évolution temporelle de la fonction de densité de probabilité, à partir de laquelle des observables thermodynamiques telles que les temps de séjour moyens peuvent être déduites. Ceci impliquera d'étendre le cadre théorique et son implémentation numérique à un paysage énergétique multidimensionnel au-delà d'une représentation macrospin, et de réaliser les simulations.

Master en nanophysique/nanosciences, master de physique avec une dominance marquée pour la théorie, la modélisation numérique et le développement de code.