Effets des interactions spin-orbite dans des couches minces ferrimagnétiques

Spin-Orbit effect in ferrimagnetic thin film

• Auteur / Autrice : Thaï Ha Pham
• Direction : Stéphane Mangin, Juan Carlos Rojas-Sanchez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/05/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie George
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Liza Herrera Diez, Dafiné Ravelosona, Stefania Pizzini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Liza Herrera Diez, Dafiné Ravelosona

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aimantation

Couches minces supraconductrices

Matériaux ferrimagnétiques

Spintronique

Mots clés libres

Électronique de spin

Interactions spin-orbite

Couches minces ferrimagnétiques

Spintronic

Spin-orbit interaction

Ferrimagnetic thin film

Résumé

Un fort intérêt se porte actuellement sur l'influence du couplage spin-orbite sur les propriétés de transport. Notamment la possibilité de retourner l’aimantation grâce au couple spin-orbite (SOT). Afin d’envisager l’utilisation du SOT pour des applications dans le domaine de l’électronique de spin il est nécessaire de réduire le courant critique nécessaire au retournement et diminuer ou éliminer le champ magnétique externe planaire appliqué. Mon travail de thèse concerne l’étude expérimentale de systèmes bicouches métaux lourds/ ferrimagnétique (W/ CoxTb1−x ou Pt / CoxTb1−x ). Dans les alliages ferrimagnétiques, l’aimantation du sous réseau du Cobalt est couplé antiparallèlement à l’aimantation du sous réseau de Terbium. Ces alliages sont particulièrement intéressants car pour une certaine concentration, il existe une température pour laquelle l’aimantation des deux sous réseaux sont égales et donc que l’aimantation résultante est nulle. Dans un premier temps j’ai caractérisé ces systèmes par magnétométrie et par mesures de résistance Hall anomale pour des températures allant de 10 à 350 K. Les expériences de renversement d’aimantation induite par le courant ont été effectuées dans une géométrie « couple Spin-orbite » (SOT) où les impulsions de courant sont injectées dans le plan et le retournement de l’aimantation est détectée par la mesure de la résistance de Hall. Le retournement complet de l'aimantation a été observée dans tous les échantillons. Le courant de retournement varie de façon continue avec la composition de l’alliage et nous n’avons pas observé une réduction de celui-ci au point de compensation malgré la forte augmentation de l’efficacité du SOT. Un modèle basé sur les équations de Landau-Lifschitz-Gilbert couplées montre que la densité du courant de retournement est proportionnelle à l’anisotropie perpendiculaire effective, qui ne diminue pas au point de compensation. Bien que le TbCo possède une forte anisotropie magnétique perpendiculaire, le retournement se produit pour un champ magnétique planaire faible. Nous avons pu montrer que le chauffage provoqué par le courant joue un rôle important. En effet le retournement semble se produire à une température de commutation caractéristique Tswitch induite par le chauffage Joule qui est supérieure aux températures de compensation magnétique et angulaire mais inférieure à sa température de Curie (TC). Tout se passe comme s’il fallait atteindre une température proche de TC pour que le retournement ait lieu.

The influence of spin-orbit coupling on transport properties has been a topic of strong and growing interest in the last ten years. In order to use of spin-orbit torque for applications in the field of spin electronics, it is necessary to reduce the critical current necessary for the reversal and to decrease or eliminate the planar external magnetic field applied. My thesis work concerns the experimental study of heavy metal / ferrimagnetic bilayer model systems (W / CoxTb1-x or Pt / CoxTb1 - x). In such ferrimagnetic alloys, the magnetization of the Cobalt sub-lattice is coupled antiparallel to the magnetization of the Terbium sub-lattice. These alloys are particularly interesting because for certain concentration, there is a temperature for which the magnetization of the two sub-networks are equal resulting in zero magnetization. This is the magnetization compensation temperature. At first I characterized these systems using magnetometry and Hall cross measurements for temperatures ranging from 10 to 350 K. The experiments of magnetization reversal of magnetization induced by the current were carried out in a "Spin- orbit torque” (SOT) geometry where the current pulses are injected into the plane and the reversal of the magnetization is detected by measuring the Hall resistance. The complete magnetization reversal was observed in all the samples. The current reversal was found to vary continuously with the alloy composition and we did not observe any reduction at the compensation point despite the large increase in the SOT efficiency. A model based on the coupled Landau-Lifschitz-Gilbert equations shows that the reversal current density is proportional to the effective perpendicular anisotropy, which does not decrease at the compensation point. Although TbCo has a strong perpendicular magnetic anisotropy, the reversal occurs for a weak planar magnetic field. We were able to show that the heating caused by the current plays an important role in the switching. Indeed the reversal seems to occur at a characteristic switching temperature (Tswitch) induced by Joule heating. Tswitch is larger than the magnetic and angular compensation temperatures, but lower than the Curie temperature. Everything happens as if it was necessary to reach a temperature close to the order temperature for the reversal to take place.