Dynamique et morphologie des parois des domaines magnétiques dans les films minces du point de vue de la physique statistique

Dynamics and morphology of driven domain walls in magnetic thin films from the standpoint of statistical physics

• Auteur / Autrice : Lucas Javier Albornoz
• Direction : Vincent Jeudy, Javier Curiale
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universidad nacional de Cuyo
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) - Laboratorio de resonancias magnéticas (Bariloche, Argentine)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Alejandro Butera
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriela Pasquini, Jan Vogel, Liza Herrera Diez, Thierry Giamarchi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gabriela Pasquini, Jan Vogel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ordre et désordre (physique)

Transitions de phases

Matériaux nanostructurés

Domaines magnétiques

Dynamique d'aimantation

Mots clés libres

Systèmes nano-Structurés

Systèmes désordonnés

Dynamique de l'aimantation

Parois de domaines magnétiques

Transition de dépiégeage

Dynamics of magnetization

Nanostructured systems

Depinning transition

Disordered systems

Magnetic domain walls

Résumé

L'étude des parois de domaines magnétiques (PD) dans les films minces est d’un grand intérêt pour la compréhension de la dynamique de l'aimantation et pour le développement de dispositifs spintroniques. En raison de ses caractéristiques, les PD peuvent être étudiées dans le cadre de la théorie des interfaces élastiques dans les milieux désordonnés. Dans cette thèse, nous étudions les propriétés dynamiques et morphologiques des PD à partir de ce point de vue. Notre principal outil d'investigation est la microscopie par effet Kerr magnéto-optique polaire (PMOKE). Les échantillons étudiés sont un film ferrimagnétique de GdFeCo de 10nm d’épaisseur, et une bicouche semi-conductrice ferromagnétique de (Ga,Mn)(As,P)/(Ga,Mn)As de 4nm d’épaisseur. Pour l’échantillon de GdFeCo, nous avons étudié la dynamique des PD déplacées par champ magnétique, sur une large gamme de températures (10-353K), dans les régimes de reptation et de dépiégeage. Nous avons constaté une divergence du champ de dépiégeage à la température de compensation magnétique, et une augmentation de l’énergie caractéristique de piégeage kBTd lorsque la température T diminue, ce qui se traduit par des effets thermiques exceptionnellement faibles en dessous de 100K. Cela nous a permis d’observer une transition de dépiégeage quasi athermique à basse température et de déterminer les exposants critiques. Nous avons indépendamment déterminé les valeurs de l’exposant de paramètre d’ordre β=0.30±0.03 et l’exposant de longueur de corrélation ν=1.3±0.3, qui sont tous deux compatibles avec les prédictions théoriques pour la classe d’universalité Edwards-Wilkinson pour un système avec un désordre figé. Une autre étude de cette thèse est l’analyse statistique de la morphologie des PD en GdFeCo. Nous avons obtenu des valeurs représentatives pour l’exposant de rugosité ς et l’amplitude de rugosité B₀. Les valeurs de ς obtenues ne peuvent pas être directement identifiées avec les valeurs théoriquement prédits. Afin d’expliquer ce désaccord, nous considérons que les exposants prédits gouvernent la rugosité des PD à différentes échelles de longueur séparées par deux longueurs de croisement : la longueur de corrélation Lopt associée aux sauts au-dessus des barrières énergie d’ancrage, et la longueur de corrélation Lₐᵥ associée à la taille caractéristique des avalanches. Sur la base de ces idées, nous interprétons l’exposant ς mesuré comme une valeur effective et quantifions expérimentalement pour la première fois la longueur de corrélation Lₐᵥ pour différents champs et températures. En outre, nous avons constaté que lav restait fini au-dessous de la transition de dépiégeage (pour H<Hd) conformément aux propositions théoriques. Avec le film de (Ga,Mn)(As,P)/(Ga,Mn), nous avons étudié le mouvement des PD induit simultanément ou séparément par un champ magnétique et un courant électrique polarisé en spin. Afin de comparer la contribution de ces deux forces motrices, nous avons analysé les conditions d’équilibre d’une paroi lorsque que ces deux forces agissent en direction opposée. Nous montrons que ces deux contributions sont proportionnelles avec un facteur (1.3±0.2)mT/(GA/m²) sur une grande plage de température proche du point de Curie. Nous constatons que ce même facteur décrit avec succès la dynamique des PD dans le régime de reptation au voisinage de la transition dépiégeage. Cela suggère que la force effective exercée sur les PD peut être décrite par une somme des forces dues au champ et au courant. Cependant, ce n’est plus valable dans le régime de reptation à plus faible vitesse, ce qui pourrait être associé à la nature non isotrope du mouvement des PD induit par le courant. Les résultats présentés dans cette thèse jettent un éclairage sur la nature universelle du déplacement des PD de domaines magnétiques et élargissent nos connaissances sur les caractéristiques de base des forces motrices qui produisent leur mouvement.

Studying magnetic domain walls (DWs) in thin films is of great interest for the understanding of magnetization inversion mechanisms and for the development of spintronics devices. As DWs have an associated energy and lie in a material with intrinsic inhomogeneities, they can be studied within the theory of elastic interfaces in disordered media. In this thesis, we investigate the dynamic and morphological properties of DWs in thin films from this viewpoint. Our main experimental tool is the polar magneto-optical Kerr-effect (PMOKE) microscopy, which permits the direct observation of DWs. The studied samples are a ferrimagnetic 10nm-thick film of GdFeCo, and a ferromagnetic 4nm-thick semiconducting bilayer of (Ga,Mn)(As,P)/(Ga,Mn)As, both of them presenting perpendicular magnetic anisotropy.For the GdFeCo sample, we have studied the dynamics of field-driven DWs in a wide temperature range, from 10K to 353K, in the creep and depinning regimes. We have found that the depinning field Hd diverges at the magnetic compensation temperature TM, and that the characteristic pinning energy barrier kBTd grows in magnitude for decreasing temperature, what results in exceptionally low thermal effects below 100 K. This has allowed for the direct observation of the depinning transition at low temperatures and the subsequent determination of associated critical exponents. We have independently determined values of the order-parameter exponent β=0.30±0.03 and the correlation length exponent ν=1.3±0.3, both of them being consistent only with the quenched Edwards-Wilkinson universality class.Another investigation of this thesis concerns the statistical analysis of DW morphology in the GdFeCo sample. For different temperatures and applied fields, we have obtained representative values for the roughness exponent ς and the roughness amplitude B₀. We have found that the obtained zeta values cannot be directly identified with any of the theoretically predicted roughness exponents. In order to explain this disagreement, we propose a quantitative interpretation based on previous theoretical studies. We consider that the predicted exponents govern DW roughness at different length scales separated by two crossover lengths: the correlation length lopt associated to jumps over characteristic energy barriers, and the correlation length Lₐᵥ associated to the characteristic size of depinning avalanches. Based on these ideas, we interpret the measured ς exponents as effective values and experimentally quantify for the first time the depinning correlation length Lₐᵥ for different fields and temperatures. Moreover, we have found that Lₐᵥ is finite even for H<Hd in accordance with previous theoretical ideas for DW dynamics at finite temperatures.For the (Ga,Mn)(As,P)/(Ga,Mn)As sample, we have studied the field- and current-driven DW motion when both stimuli are applied separately and simultaneously. In order to compare the strength of these two driving forces, we have analyzed the conditions of balance between them when they push oppositely. We show that there is a constant proportionality factor (1.3±0.2)mT/(GA/m²) over a large temperature range close to the Curie point. We find that this same factor successfully describes the DW dynamics in the creep regime close to the depinning transition both when field and current are applied separately and simultaneously. This suggests that the effective force exerted on DWs can be described by a sum of the forces due to field and current. However, this relation does not stand at relatively low velocities, which could be associated with the non-isotropic nature of current-driven DW motion. The results presented in this thesis shed light on the universal nature of driven DWs and broadens our knowledge on the effective features of thedriving forces.

El estudio de paredes de dominios magnéticos (PDM) en láminas delgadas es de gran interés para la comprensión de los mecanismos de inversión de la magnetización y para el desarrollo de dispositivos de electrónica de spin. Debido a sus características, las PDM pueden ser estudiadas en el marco de la teoría de interfases elásticas en medios desordenados. En esta tesis, investigamos la dinámica y la morfología de PDM en láminas delgadas con anisotropía magnética perpendicular desde dicho enfoque. La técnica experimental principal que utilizamos es la microscopía magnetoóptica por efecto Kerr polar (PMOKE), que permite la observación directa de las PDM. Las muestras estudiadas son una lámina ferrimagnética de GdFeCo de 10 nm de espesor, y una bicapa ferromagnética de (Ga,Mn)(As,P)/(Ga,Mn)As de 4 nm de espesor.En la muestra de GdFeCo, estudiamos la dinámica de PDM impulsadas por campo magnético en un rango amplio de temperaturas, 10K-353K, en los regímenes de creep (reptación) y depinning (desanclaje). Encontramos que el campo de depinning Hd diverge en la temperatura de compensación magnética TM, y que la barrera de energía de anclaje característica kBTd crece al bajar la temperatura. Esto último resulta en efectos térmicos excepcionalmente débiles por debajo de 100K, y permite la observación directa de la transición de depinning a bajas temperaturas y la determinación de exponentes críticos asociados. Determinamos independientemente los valores del exponente del parámetro de orden β=0.30±0.03 y del exponente de la longitud de correlación ν=1.3±0.3. Ambos son consistentes sólo con la clase de universalidad de quenched Edwards-Wilkinson. Por otro lado, estudiamos las propiedades estadísticas de la morfología de PDM en la muestra de GdFeCo. Para diferentes temperaturas y campos aplicados, obtuvimos valores representativos del exponente de rugosidad ς y de la amplitud de la rugosidad B0. Encontramos que los valores de ς obtenidos no pueden ser identificados directamente con ninguno de los exponentes teóricamentepredichos. Para explicar esta discordancia, proponemos una interpretación cuantitativa basada en estudios teóricos previos. Consideramos que los exponentes predichos dominan la rugosidad de PDM a distintas escalas de longitud separadas por dos longitudes características: la longitud de correlación Lopt asociada a saltos sobre barreras de energía características, y la longitud de correlación Lavasociada al tamaño característico de las avalanchas en la transición de depinning. En base a estas ideas, interpretamos los exponentes ς medidos como valores efectivos y cuantificamos experimentalmente por primera vez la longitud de correlación Lav para distintos campos y temperaturas. Asimismo, encontramos que Lav es finita incluso para H<Hd, de acuerdo con ideas teóricas previas para temperaturas finitas.En la muestra de (Ga,Mn)(As,P)/(Ga,Mn)As, estudiamos la dinámica de PDM impulsadas tanto por campo como por corriente. Para comparar la magnitud de estas dos fuerzas de empuje, analizamos las condiciones tales que, al empujar en direcciones opuestas, ambas fuerzas están balanceadas. Mostramos que existe un factor de proporcionalidad (1.3±0.2) mT/(GA/m²) en un amplio rango de temperaturas cercano al punto de Curie de la muestra. Encontramos que este mismo factor describe satisfactoriamente la dinámica de PDM en el régimen de creep cerca de la transición de depinning. Esto sugiere que la fuerza efectiva que actúa sobre las PDM puede ser descrita como una suma de las fuerzas debidas al campo y a la corriente. Sin embargo, esta relación no se mantiene avelocidades relativamente bajas, lo cual puede ser asociado a la naturaleza anisotrópica de la fuerzainducida por corriente. Los resultados presentados en esta tesis amplían nuestro conocimiento sobre la naturaleza universal de las PDM y sobre las propiedades efectivas de las fuerzas de empuje.