Dynamique de paroi de domaine sous courant de spin dans des alliages ferrimagnétiques

par Eloi Haltz

Projet de thèse en Nanophysique

Sous la direction de Alexandra Mougin.

Thèses en préparation à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Solides (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    La manipulation des parois de domaines magnétiques (DWS) avec des courants électriques combine les problématiques de la physique des matériaux magnétiques, l'interaction du magnétisme avec les porteurs polarisés en spin et la structure micromagnétique des parois de domaine. Cette thématique est d'une importance cruciale pour les multiples technologies proposées de nos jours telles que la mémoire à registre de parois « race track memory » ou les MRAM commutées par propagation de parois. A ce jour, les études basées sur des métaux de transition ferromagnétiques ont montré que l'effet du courant sur les parois est trop petit pour les applications proposées. En outre, une véritable compréhension de la propagation de paroi induite par courant exige l'examen de ses deux paramètres clefs: la structure interne de la paroi et son comportement dynamique, ainsi que le type de matériaux et d'empilements à l'origine de la génération des courants de spin. Nous nous concentrerons sur des alliages ferrimagnétiques du type Terre Rare / Métal de Transition (RETM), comme GdCo ou TbFe, en raison de leurs propriétés uniques en termes de régimes thermiquement activés dynamiques, leurs grands effets spintroniques. Nous proposons un projet expérimental pour déterminer les mécanismes qui assurent une propagation sous courant efficace, divisé en 2 tâches. 1. Étude de la propagation de paroi dans des alliages ferrimagnétiques terre rare / métal de transition. La structure de paroi peut être changée dans ces alliages en ajustant l'aimantation à saturation (Ms). De plus, ils permettent d'aborder le cas de la propagation sans aimantation résultante ; ce cas est mal compris mais présente potentiellement une très haute efficacité, reliée au couplage entre le courant et les sous-réseaux ferrimagnétiques. Les premiers résultats démontrant une propagation de paroi sous courant dans des pistes de TbFe avec grande efficacité ont été obtenus dans le groupe. 2. Étude exploratoire sur le rôle de la structure de paroi et l'origine des courants de diffusion de spin crées par le couplage spin-orbite dans des empilements asymétriques de type films non-magnétique / ferromagnétique (NM / FM). En effet, il a été récemment souligné qu'une combinaison adaptée de la structure de paroi et des courants générés par effet Hall de spin (SHE) dans la couche NM à fort couplage spin-orbite permet d'obtenir une grande efficacité de propagation. Le système NM / RETM permet en sus l'étude des courants de spin générés par couplage spin-orbite à l'intérieur de la couche magnétique elle-même, un phénomène à peine étudié. Bien que les alliages amorphes ferrimagnétiques sont connus depuis longtemps, seules quelques équipes ont travaillé sur la propagation de parois sous courant dans ces ferrimagnétiques. Les seuls résultats expérimentaux clairs ont été rapportés dans le groupe du Pr H. Awano au Japon. Au cours des dernières années, notamment en France et dans l'équipe du LPS, un grand effort a été mené dans la croissance de couches minces d'alliages de RETM avec des propriétés contrôlées. L'équipe du LPS est maintenant en mesure de fabriquer des films minces de haute qualité, intégrés dans des empilements complexes et a déjà observé le mouvement d'une paroi de domaine sous courant dans des pistes de TbFe.

  • Titre traduit

    Domain wall dynamics driven by spin-current in ferrimagnetic alloys


  • Résumé

    The manipulation of magnetic domain walls (DWs) with electrical currents combines problematics of the physics of magnetic materials, the interaction of magnetism and spin polarized carriers, as well as the micromagnetics of DWs. It is also of crucial importance to the multiple proposed technologies being nowadays researched, such as the DW racetrack or DW-switched MRAM. Previous studies in sole transition metal ferromagnets showed, however, that the effect of current on DWs is too small for the proposed applications. Moreover, a true understanding of Current Induced Domain Wall Motion requires the examination of its two faces: the internal DW structure and behavior, and the material/stack origins of current‑induced torques. We focus on ferrimagnets alloys of the type Rare Earth / Transition Metal (RETM), such as GdCo or TbFe, because of their unique properties in terms of thermally activated dynamical regimes, large spintronic effects, and expected efficient CIDWM. We propose an experimental project on the mechanisms that have been predicted to cause efficient CIDWM, divided in 2 packages. 1. Study DW propagation in ferrimagnetic rare earth / transition metal (RETM) alloys. The DW structure can be changed in these alloys by tuning the saturation magnetization (Ms). Additionally, they allow the study of CIDWM with no net magnetization, an ill-understood case with potentially very high efficiency, which is connected with the coupling between current and ferrimagnetic sublattices. The first results demonstrating CIDWM in TbFe wires with large efficiency have been obtained in the group. 2. Exploratory study of the role of DW structure and the diffusive spin currents originated by spin-orbit coupling in asymmetric film stacks of the type non-magnetic / ferromagnetic (NM/FM). Both the DW structure and the diffusive spin currents generated by the Spin Hall Effect (SHE) in the a NM layer with strong spin-orbit coupling have been recently pointed as causes to the reported high efficiency CIDWM in specific NM/FM systems. The NM/RETM system allows investigating the spin currents generated by spin orbit coupling inside the magnetic layer itself, a barely investigated phenomenon. Although amorphous ferrimagnetic alloys have been known for a long time, only a few teams have worked on CIDWM in ferrimagnets. The only clear reported experimental results are from the group of Prof. H. Awano in Japan. In the past years, including in France and in the LPS team, a large effort has been adduced in growing thin films of RETM alloys with controlled properties. The LPS team is now able to grow high quality RETM thin films integrated in complex film stacks and evidenced domain wall motion under current.