On Wednesday January 31th, at 10:00, David Salomoni (SPINTEC) will defend (in english) his PhD thesis entitled :
All-optical switching of spintronic devices
Place : IRIG/SPINTEC, CEA Building 10.05, auditorium 445 (access needs authorization request it before January 20th to admin.spintec@cea.fr)
visio conference : https://grenoble-inp.zoom.us/j/95554920195
Abstract : The evolution of computer memory has led to a multilevel hierarchy, balancing speed, storage density, and cost. As complementary metal oxide semiconductor (CMOS) memory limits are approached, interest grows in nonvolatile alternatives like magnetic random access memory (MRAM). Although perpendicular spin-transfer torque (p-STT-MRAM) is already in production, alternative technologies such as spin-orbit torque (SOT) are explored for high-speed and fast cache operation. However, SOT has drawbacks, such as a larger bit-cell area and the need for an applied magnetic field for deterministic switching. In the pursuit of faster, more ecient memory, all-optical switch- ing (AOS) technology seeks to achieve magnetization reversal through energy-ecient ultrafast writing with single-femtosecond laser pulses. This Ph.D. thesis addresses the objective of merg- ing helicity-independent HI-AOS with MRAM devices. The materials investigated are rare-earth transition-metal multilayer systems, with a particular focus on Tb/Co-based structures. Through a combination of experimental investigations and numerical simulations, we unraveled the intricate dynamics of HI-AOS and used them to develop functional nanometer-sized AOS magnetic tunnel junctions (AOS-MTJs). These results not only deepen our understanding of HI-AOS but also explore its applications in non-volatile data storage and energy-ecient computation at the nanoscale. The exploration of HI-AOS in thin films of rare-earth transition metal multilayer systems lays the foundation for reliable magnetization toggle reversal, exploring the response to different pulse durations and fluences. Key new findings include the observation of concentric rings with opposite magnetic orientations and the independence of fluence on pulse duration, challenging existing paradigms. A hypothesis emphasizing the role of local anisotropy decrease that favors a precessional type of HI-AOS is introduced. The development of a macrospin model, incorporating two-temperature model (2TM) principles, explains the precession-driven switching mechanism observed in the Tb/Co-based multilayer system. Simulations reveal dynamics influenced by parameters such as Gilbert damping, anisotropy tilt angle, and the quality factor Q. Atomistic simulations further validate the model’s predictions, emphasizing the significance of temperature-dependent magnetization and anisotropy e↵ects in the HI-AOS process. Practical applications require the fabrication and electrical char- acterization of MTJ devices. Optimization of tunnel magnetoresistance (TMR) values, reaching a maximum value of 74%, a significant improvement over previous demonstrations. The thesis main achievement was demonstrating field-free HI-AOS on 100 nm diameter patterned [Tb/Co] p-MTJ devices, using 50 fs laser pulses with an estimated absorbed energy of approximately 68.6 fJ per bit reversal. The research not only contributes to our understanding of HI-AOS but also opens future research paths. Recommendations for future directions include using atomistic and LLB models for a more comprehensive understanding, exploring alternative materials beyond Tb/Co, investigating deterministic switching using spin-transfer torque, and addressing device variability challenges. The thesis o↵ers a comprehensive exploration of HI-AOS, from its fundamental mechanisms to practi- cal applications in nonvolatile data storage and energy-ecient computation. The optimized TMR values and successful demonstration of AOS in nano-patterned devices are a first step toward a new memory technology. The use of both experimental and simulated methods strengthens the impor- tance of the obtained results for further progress in this area. In summary, this doctoral research not only has expanded the knowledge of helicity-independent all-optical switching but has also laid the foundation for innovative applications in nano-scale technology. The ongoing integration of pho- tonic and spintronic elements has the potential to bring about significant progress in data storage and computation.
titre : Écriture toute optique des dispositifs spintronique
Résumé : L’évolution de la mémoire des ordinateurs conduit à plusieurs niveaux des applications, potentielles mariant vitesse, densité de stockage et coût. À mesure que les limites des mémoires CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) approchent, l’intérêt pour les alternatives non volatiles telles que la mémoire magnétique à accès aléatoire (MRAM) grandit. Dans la quête d’une mémoire plus rapide et plus efficace, la technologie de commutation tout-optique (AOS) cherche à réaliser le retournement de l’aimantation par une écriture ultrarapide à faible énergie avec une seule impulsion laser femto- ou picoseconde. Cette thèse a pour objectif d’utiliser des dispositifs AOS comme éléments mémoire MRAM. Les matériaux étudiés sont des systèmes multicouches de métaux de transition et terres rares, notamment les structures à base de Tb/Co. Grâce à une combinaison d’études expérimentales et de simulations numériques, nous avons élucidé la dynamique complexe de HI-AOS (écriture indépendante de l’hélicité de l’impulsion laser) et l’avons utilisée pour développer des jonctions tunnel magnétiques AOS (AOS-MTJ) de taille nanométrique.
L’étude de HI-AOS dans des multicouches de métaux de transition et terres rares a démontré le renversement fiable de l’aimantation, en explorant la réponse à différentes durées d’impulsion et à différentes fluences. Parmi les nouveaux résultats clés, on peut citer notamment l’observation d’anneaux concentriques avec des orientations magnétiques alternantes et l’indépendance de la fluence par rapport à la durée de l’impulsion, ce qui remet en question les paradigmes existants. Le développement d’un modèle de macrospin, incorporant les principes du modèle à deux températures (2TM), explique le mécanisme de commutation par précession observé dans le système multicouche à base de Tb/Co. Les simulations révèlent une dynamique influencée par des paramètres tels que l’amortissement de Gilbert, l’angle d’inclinaison de l’anisotropie et le facteur de qualité Q. Les simulations atomistiques valident également les prédictions du modèle, soulignant l’importance des effets de l’aimantation et de l’anisotropie en fonction de la température dans le processus HI-AOS. Pour envisager des applications pratiques, il est nécessaire la fabrication et la caractérisation électrique des dispositifs MTJ. L’optimisation des valeurs de magnétorésistance tunnel (TMR), atteignant une valeur maximale de 74%, représente une amélioration significative par rapport aux démonstrations précédentes. La principale réalisation de la thèse a été la démonstration d’un retournement HI-AOS sans champ externe sur des dispositifs p-MTJ [Tb/Co] de 100 nm de diamètre, en utilisant des impulsions laser de 50 fs avec une énergie absorbée estimée à environ 68,6 fJ par bit. Ces études contribuent non seulement à notre compréhension du HI-AOS, mais ouvrent également des pistes de recherche à l’avenir. Les perspectives pour les orientations futures comprennent l’utilisation de modèles atomistiques et LLB pour une compréhension plus complète, l’exploration de matériaux alternatifs au-delà du Tb/Co, l’étude de la commutation déterministe à l’aide du couple de transfert de spin, et l’investigation de la variabilité des dispositifs. La thèse propose une exploration complète de HI-AOS, de ses mécanismes fondamentaux à ses applications pratiques dans le domaine du stockage de données non volatiles et de la microélectronique à faible consommation d’énergie. Les valeurs optimisées de la TMR et la démonstration réussie de l’AOS dans des dispositifs nanométriques constituent un premier pas vers une nouvelle technologie mémoire. L’utilisation de méthodes expérimentales et simulées renforce l’importance des résultats obtenus pour les progrès futurs dans ce domaine. En résumé, cette recherche doctorale a non seulement élargi nos connaissances sur la commutation tout-optique indépendante de l’hélicité, mais a également posé les bases d’applications innovantes dans le domaine des technologies numériques à l’échelle nanométrique.
Jury :
- Jörg Wunderlich – Professeur, Universität Regensburg, Rapporteur
- Oksana Chubykalo-Fesenko – Senior Scientist, CSIC Madrid, Rapporteure
- Reinoud Lavrijsen – Associate Professor, Eindhoven University of Technology, Examinateur
- Laurent Ranno – Maitre de Conferences, Université Grenoble Alpes, Examinateur
- Michel Hehn – Professeur des Universites, Université de Lorraine, Examinateur
Thesis Supervisors :
- Liliana Buda-Prejbeanu – Professeure des Universites, Université Grenoble Alpes, Directrice de thèse
- Ioan-Lucian Prejbeanu – Directeur de recherche, CEA, Co-directeur de thèse
