Domaines magnétiques périodiques pour la propagation guidée d’ondes de spin

Periodic magnetic domains for channeled spin wave propagation

• Auteur / Autrice : Kosseila Aït Oukaci
• Direction : Michel Hehn, Daniel Lacour, Rachid Belkhou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/03/2021
• 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 : Bertrand Kierren
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Hehn, Daniel Lacour, Rachid Belkhou, Massimiliano Marangolo, Liliana-Daniela Buda, Daniel Stoeffler, Amina Taleb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Massimiliano Marangolo, Liliana-Daniela Buda

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ferromagnétisme

Ondes de spin

Domaines magnétiques

Mots clés libres

Domaines magnétiques

Weak Stripes

Strong Stripes

Ondes de spin

Magnetic domains

Weak stripes

Strong Stripes

Spin waves

Résumé

L'International Technology Roadmap for Semiconductors a identifié les dispositifs à base d'ondes de spin comme une alternative à la technologie CMOS pour les dispositifs logiques. Cependant, les dispositifs standards souffrent de plusieurs inconvénients liés à la miniaturisation et n'offrent pas la possibilité d'aborder le domaine des dispositifs logiques entièrement reprogrammables. L'objectif de ma thèse est d'établir une nouvelle voie vers des dispositifs logiques évolutifs et reprogrammables. Cette voie repose sur la stabilisation de domaines magnétiques périodiques rectilignes dont l’orientation peut être configurée à souhait pour ouvrir ou fermer le canal de transmission de l’information. Ce canal sera formé dans un matériau à faible amortissement pour une propagation des ondes de spin sur des distances microniques. D’une part, des domaines magnétiques de type Weak Stripes ont été obtenus dans l’alliage Co₄₀Fe₄₀B₂₀. Nous avons montré que ces domaines sont facilement orientables, ce qui permettra de facilement ouvrir ou fermer le canal de transmission des ondes de spin. Un amortissement inférieur à 7.10⁻³ peut être obtenu. La microscopie magnétique nous a permis de déterminer l’angle de l’aimantation dans les bandes, sa distribution spatiale ainsi que sa variation sous champ magnétique. De plus, nous avons montré pour la première fois la configuration de surface de ces Weak Stripes, configuration en accord avec les simulations micromagnétiques. D’autre part, des domaines magnétiques de type Strong Stripes sont obtenus dans les multicouches [Co/Ni]n. Leurs propriétés sont proches de celles observées dans d’autres matériaux comme le Co épitaxié. Un coefficient d’amortissement inférieur à 8.8 ×10⁻³ est obtenu, parmi les plus petits pour des systèmes à aimantation perpendiculaire. Leurs propriétés magnétiques microscopiques montrent que l’orientation des bandes est plus difficile à obtenir à cause d’une transformation bandes/bulles non encore répertoriée dans la littérature.

The International Technology Roadmap for Semiconductors has identified spin wave devices as an alternative to CMOS technology for logic devices. The interest of these emerging devices lies in the scalability needed to process the ever-increasing amount of data generated by our information and communication society while maintaining low power consumption. However, standard devices suffer from drawbacks related to miniaturization and do not offer the possibility to enter the field of fully reprogrammable logic devices. The objective of my thesis is to establish a new path towards scalable and reprogrammable logic devices. This path is based on the stabilization of rectilinear periodic magnetic domains whose orientation can be configured to open or close the transmission channel. This channel will be formed in a low-damping material for spin wave propagation over micron distances. On one hand, magnetic domains of the Weak Stripes type have been obtained in the Co₄₀Fe₄₀B₂₀ alloy. We have shown that these domains are easily orientable, which will allow to easily open or close the transmission channel of spin waves. We show that a damping lower than 7×10⁻³ can be obtained. Magnetic microscopy allowed us to determine the angle of magnetization in the stripes, its spatial distribution as well as its variation under magnetic field. In addition, we show for the first time the surface configuration of these Weak Stripes, a configuration in accordance with the micromagnetic simulations. On the other hand, Strong Stripes magnetic domains are obtained in the [Co/Ni]n multilayers. Their properties are close to those observed in other materials such as Co epitaxial films. A damping coefficient lower than 8.8 ×10⁻³ is obtained, among the smallest for perpendicular magnetization systems. The study of their microscopic magnetic properties shows that the orientation of straight domains is more difficult to obtain because of a stripe/bubble transformation which has not yet been documented in the literature.