On Wednesday 10th of July at 14h00 Mathieu FABRE from SPINTEC will defend his PHD entitled :

Manipulation et détection d’ondes de spin via l’interaction spin-orbite dans des guides d’ondes ultraminces Ta/CoFeB/MgO à anisotropie perpendiculaire

Place : CEA 17 rue des Martyrs, bat 1005 room 445 (persons who do not have a CEA badge must request an entry authorization sufficiently in advance to sabrina.megias@cea.fr)

Abstract:

Spin-waves have been proposed as a possible technological path to overcome the hurdles encountered by the miniaturization of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) into the nanometer range, demonstrated by recent developments in spin-wave-based logic devices. However, the industrial appeal of these proofs-of-concept is conditional upon their scalable integration with CMOS technology. Here, we report on ultrathin Ta/CoFeB/MgO wires used as spin-wave waveguides. This system is chosen for its compatibility with CMOS processes, its perpendicular magnetic anisotropy and strong spin-orbit interactions. The latter are of interest for manipulating spin waves and are characterized via spin-torque ferromagnetic resonance where it is shown that the inverse spin Hall effect is responsible for the detection of magnetization dynamics. Following this, we use integrated nanometric coplanar waveguides to locally excite spin-waves in a broad range of wavevectors. Comparison of the measured spin-wave spectrum with analytical calculations show that the inverse spin Hall effect allows the wavevector-independent detection of spin-waves with wavelengths down to 150 nm. Complementary Brillouin light scattering experiments reveal that spin-waves in the ultrathin spin-wave waveguide with perpendicular magnetic anisotropy have unexpectedly high propagation lengths considering the relatively high damping in Ta/CoFeB/MgO systems. These findings pave the way for ultrathin CMOS-compatible spin-wave devices with excitation and detection techniques that are scalable into the nanometer range, with the prospect of controlling spin-waves via spin-orbit torques.

Résumé:

Les ondes de spin sont une des voies technologiques proposées pour surmonter les obstacles que rencontre la miniaturisation des complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) dans la gamme du nanomètre, comme en témoignent les derniers développements en matière de dispositifs logiques à ondes de spin. Cependant, l’attrait industriel de ces preuves de concept est conditionné par leur intégration avec cette technologie CMOS. Nous présentons ici des pistes ultrafines de Ta/CoFeB/MgO utilisées comme guides d’ondes de spin. Ce système a été choisi pour sa compatibilité avec les procédés CMOS, son anisotropie magnétique perpendiculaire et ses forts couples de spin-orbite. Ces derniers sont intéressants pour manipuler les ondes de spin et ont été caractérisés par résonance ferromagnétique à couple de spin, technique pour laquelle il est démontré que la détection de la dynamique de l’aimantation se fait au moyen de l’effet Hall de spin inverse.
Nous avons ensuite excité localement des ondes de spin dans une large gamme de vecteurs d’onde, au moyen de guides d’ondes coplanaires nanométriques intégrés. La comparaison du spectre d’ondes de spin mesuré avec les calculs analytiques montre que l’effet Hall de spin inverse permet la détection des ondes de spin indépendamment de leur vecteur d’onde, pour des longueurs d’onde allant jusqu’à 150 nm. Des expériences complémentaires de diffusion de la lumière Brillouin révèlent que les ondes de spin, dans le guide d’ondes de spin ultra-mince à anisotropie magnétique perpendiculaire, ont des longueurs de propagation étonnamment élevées compte tenu de l’amortissement relativement élevé des systèmes Ta/CoFeB/MgO. Ces résultats ouvrent la voie à des dispositifs à ondes de spin ultraminces compatibles CMOS avec des techniques d’excitation et de détection évolutives jusqu’à l’ordre du nanomètre, avec la perspective de contrôler les ondes de spin via les couples de spin-orbite.