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

Domain wall dynamics driven by spin-current in ferrimagnetic alloys

• Auteur / Autrice : Eloi Haltz
• Direction : Alexandra Mougin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Saclay (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Cros
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Mougin, Vincent Cros, Stuart S. P. Parkin, Christian Back, Olivier Boulle, Laura Thevenard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stuart S. P. Parkin, Christian Back

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de spin

Matériaux ferrimagnétiques

Domaines magnétiques

Matériaux magnétiques

Mots clés libres

Parois magnétiques

Dynamique d’aimantation

Couple de Spin

Matériaux ferrimagnetics

Magnetic domian wall

Magnetization dynamics

Spin-Torques

Ferrimagnets

Résumé

Malgré les grands succès de la spintronique de ces dernières années, plusieurs questions demeurent quant à l'efficacité et la rapidité de la manipulation électrique de l’aimantation. Ces problèmes semblent pouvoir être résolus en considérant des nouveaux matériaux plus exotiques mélangeant différents sous-réseaux magnétiques. Les alliages ferrimagnétiques de type terres rares-métaux de transitions sont composés de deux populations magnétiques couplées antiferromagnétiquement. Dans ces matériaux, deux configurations particulièrement intéressantes se distinguent : les points de compensation magnétique et angulaire auxquels l'aimantation ou le moment angulaire totale de l'alliage s’annulent. Dans ces configurations, ces matériaux ferrimagnétiques présentent de nouvelles propriétés très intéressantes tant sur le plan fondamental que technologique. Dans cette thèse, la dynamique d’aimantation dans ces matériaux a été étudié expérimentalement et théoriquement à travers la dynamique de paroi de domaine magnétique par application de courants de spin.Les alliages ferrimagnétiques (comme le TbFeCo ou le GdFeCo) ont été déposés en couche mince par co-évaporation et étudiés en combinant plusieurs méthodes : magnétiques, électriques et optiques ce qui révéla leur grand intérêt spintronic. Des techniques d'imagerie ont montré une organisation en domaines magnétiques, séparés par des parois facilement manipulables. Cette étude des propriétés statiques a également montré l’existence d’un gradient chimique en épaisseur induisant des effets habituellement surfaciques dans la zone centrale de films comme le DMI.La dynamique de paroi sous courant de spin (par couple de transfert de spin et spin-orbite) a été étudiée dans deux études qui ont mis en évidence l'efficacité et la rapidité du contrôle électrique de l’aimantation. L’une d’elles a également révélé une dynamique particulière qui est la signature directe d’un retournement magnétique sans précession à la compensation angulaire.Enfin, un modèle théorique effectif des propriétés statique et dynamique des alliages ferrimagnétiques a été développé et a révélé de nouveaux modes de propagation de paroi comme le retournement sans précession ou la disparition des régimes transitoires.

Despite the large success of spintronics, several questions remain concerning the improvement of efficiency and speed of the magnetization manipulation by electrical current. Those issues can be addressed through the study of new exotic materials that mix different magnetic sub-lattices. Rare earth-transition metal ferrimagnetic alloys are composed of two different magnetic sub-lattices that are antiferromagneticaly coupled. Specifically, two interesting configurations can emerge called the magnetic and the angular compensation points at which the alloy’s net magnetization or net angular momentum independently vanishes. In these configurations, ferrimagnets seem to present new and very convenient properties which makes them promising for both fundamental and technological point of view. In this thesis, these materials were experimentally and theoretically studied through the prism of magnetic domain wall dynamics driven by spin-currents.Ferrimagnetic alloys (such as TbFeCo or GdFeCo) were grown in thin films by co-evaporation. Their structural and magnetic properties were studied by combining magnetization, electrical and optical methods which have revealed their spintronic value. Imaging techniques showed a perpendicularly magnetized domain organization separated by easily handled domain walls. These statics properties studies also showed a chemical depth gradient which induces surface-like effects in the bulk region of films such as DMI à définir.The domain wall dynamics driven by spin current were investigated in two studies revealing very high efficiency and speed of their electrical manipulation. First, the efficiency of the current manipulation via spin-transfer torque was measured by studying the domain wall motion under combined effects of field and current in the creep regime. Secondly, the domain wall dynamics driven by spin-orbit torque was fully characterized using in-plane fields. This measurement revealed a singular dynamic of the domain wall at the angular compensation point which is the direct signature of the precession-free reversal of the magnetization.Finally, an effective theoretical model of both the static and dynamic properties of ferrimagnets was developed. It allows the description of all the observed experimental results. Using this formalism, we analytically and numerically studied the domain wall dynamics driven by field or spin-currents thus revealing new propagation regimes such as precession-free dynamics or the vanishing of transient motions.