Structures topologiques de spin dans des couches minces d’alliages ferrimagnétiques

Topological Spin Structures in Ferrimagnetic Thin Film Alloys

• Auteur / Autrice : Boris Seng
• Direction : Stéphane Mangin, Mathias Kläui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Johannes Gutenberg-Universität Mainz
• 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 : Michel Hehn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Mangin, Mathias Kläui, Jeffrey McCord, Liza Herrera Diez, Dafiné Ravelosona, Martin Jourdan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jeffrey McCord, Liza Herrera Diez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Quasi-particules

Ferrimagnétisme

Couches minces

Domaines magnétiques

Skyrme, Modèle de

Mots clés libres

Skyrmion

Paroi de domaine magnétique

Couche mince

Nanomagnétisme

Ferrimagnétisme

Skyrmion

Magnetic Domain wall

Thin film

Nanomagnetism

Ferrimagnetism

Résumé

En ces temps de préoccupations écologiques, l'impact de nos modes de vie sur notre environnement est essentiel à analyser. L'énergie étant la principale source d'émissions de gaz à effet de serre dans le monde, il est nécessaire de chercher des moyens pour réduire notre consommation. Une des sources importantes de consommation d'énergie est le stockage des données, stockage augmentant chaque année de manière significative. Il a été proposé une nouvelle solution technologique permettant le stockage de ces données à moindre coût énergétique et de manières plus efficace en utilisant des skyrmions magnétiques en lieu et place des domaines magnétiques. Un skyrmion magnétique est une quasi-particule magnétique de taille pouvant être réduite à quelques atomes alors qu'un domaine magnétique est de l'ordre du micromètre. Il est donc possible d'imaginer un système de stockage de l'information reposant sur l'absence ou la présence de cette quasi-particule, représentant le ''0'' ou le ''1'' d'un bit de donnée. Ainsi, cette thèse se focalisera sur la nucléation et la manipulation de skyrmions magnétiques. Ces quasi-particules ont récemment été stabilisé dans de divers matériaux à température ambiante, condition sine qua non à une utilisation par tous. Il a également été montré la possibilité de les nucléer, de les annihiler et même de les déplacer à l'aide de courants électriques. Néanmoins, le déplacement de ces structures magnétiques, à l'heure d'aujourd'hui pose problème. Premièrement, ces structures semblent être particulièrement affectées par les défauts structurels de la matière, ce qu'on appelle le ''pinning''. En effet, les skyrmions magnétiques sont si petits qu'ils peuvent être piégés voir détruits au passage d'un défaut dans le matériau d'où ils proviennent. Deuxièmement, il est apparu que les skyrmions ne se déplaçaient pas de manières linéaires avec le courant appliqué mais possédaient une composante perpendiculaire les faisant dévier du chemin des électrons, effet connu sous le nom de ''skyrmion Hall angle''. Ceci peut être un problème dans la mesure où ils peuvent rencontrer la paroi d'une structure lithographiée provoquant la non-homogénéité de la dynamique et impliquer une possible perte de l'information stockée. Pour remédier au moins en partie à ces problèmes, l'utilisation d'un matériau ferrimagnétique a été proposé. Théoriquement, il est possible d'annihiler ce ''skyrmion Hall angle'' dans un matériau ferrimagnétique possédant une très faible aimantation à une température bien précise. Ainsi, les expériences menées dans cette thèse ont pour but de nucléer des skyrmions magnétiques dans des matériaux ferrimagnétiques tout en étudiant leur dynamique. Dans cette thèse, la nucléation de structures de spin dans des matériaux ferrimagnétiques à base de GdFeCo a été relaté. Les structures ont été cartographié à l'aide d'un microscope ''SEMPA'' où la configuration magnétique dans le plan a été révélé, indiquant le caractère chiral des quasi-particules. La mesure précise des parois de domaines séparant deux domaines magnétiques opposés en direction a également permis de déduire la valeur de la constante d'échange, paramètre important dans la physique de la matière condensée mais difficile à mesurer. Enfin, il a été mis en évidence la dynamique de skyrmions magnétiques montrant un caractère déterministe dans des alliages de CoDy.

In these times of ecological concerns, the impact of our lifestyles on our environment is essential to analyze. Since energy is the main source of greenhouse gas emissions in the world, it is necessary to look for other ways to reduce our consumption.One of the major sources of energy consumption is data storage, with storage increasing significantly each year. A new technological solution has been proposed allowing the storage of these data at a lower energy cost and in a more efficient way by using magnetic skyrmions instead of magnetic domains. A magnetic skyrmion is a quasi-particle of size that can goes down to few atoms while a magnetic domain is of the order of a micrometer. Therefore, it is possible to imagine a data storage system based on the absence or the presence of this quasi-particle, representing the ''0'' or the ''1'' of a data bit. Thus, this thesis will focus on the nucleation and manipulation of magnetic skyrmions.These quasi-particles have been stabilized in various materials at room temperature, a condition for the use by all. The ability to nucleate, annihilate, and even move them using electric currents has also been shown. Nevertheless, the displacement of these magnetic structures generates several problems. Firstly, these structures seem to be particularly affected by structural defects in matter, the so-called ''pinning''. Indeed, magnetic skyrmions are so small that they can be trapped or even destroyed when passing through a defect in the material from which they come. Secondly, it appeared that the skyrmions did not move in linearly with the applied current but possess a perpendicular component causing them to deviate from the path of the electrons, an effect known as the ''skyrmion Hall angle''. This can be a problem as they may encounter the wall of a lithographed structure causing the non-homogeneity of the dynamics and implying a possible loss of the stored information. The use of a ferrimagnetic material has been proposed to solve partially these problems. Theoretically, it is possible to annihilate this ''skyrmion Hall angle'' in a ferrimagnetic material having a very weak magnetization at a very precise temperature. Thus, the experiments carried out in this thesis aim to nucleate magnetic skyrmions in ferrimagnetic materials while studying their dynamics.In this thesis, the nucleation of spin structures in ferrimagnetic materials based on GdFeCo has been reported. The structures were mapped using a ''SEMPA'' microscope where the in-plane magnetic configuration was revealed indicating the chiral character of the quasi-particles. The precise measurement of the domain walls, domain that separates two opposite magnetic domains in direction, also made it possible to deduct the value of the exchange constant, an important parameter in the physics of condensed matter but difficult to measure. Finally, it was highlighted the dynamics of magnetic skyrmions showing a deterministic character in CoDy alloys.