Dynamique de la chiralité dans des multicouches observées par diffusion magnétique résonante des rayons X

Magnetization dynamics in chiral thin films probed by x-ray resonant magnetic resonant scattering

• Auteur / Autrice : Cyril Léveillé
• Direction : Nicolas Jaouen, Nicolas Reyren
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Synchrotron SOLEIL - Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Mougin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Jaouen, Thorsten Hesjedal, Christoforos Moutafis, Grégory Malinowski, Mathias Kläui, Christine Boeglin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thorsten Hesjedal, Christoforos Moutafis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux magnétiques

Couches minces

Rayons X -- Diffusion

Dynamique ultra-rapide

Chiralité

Mots clés libres

Chiralité

Dynamique ultra-Rapide

Diffusion magnétique rayons X

Multicouches

Magnétisme

Chirality

Ultra-Fast dynamics

X-Ray resonant magnetic scattering

Multilayers

Magnetism

Résumé

Les notions de chiralité et de topologie des textures magnétiques ont récemment émergé en nanomagnétisme dans le cadre de l'étude des parois de domaines chirales ou des skyrmions dans une perspective de nouvelles technologies de stockage de l'information. Au-delà de la course vers la réduction de la taille des bits magnétiques, l'accélération de la dynamique de l'aimantation est un autre défi à surmonter pour de futurs application de l'électronique de spin, la spintronique.Dans ce travail de doctorat, l'étude de différents systèmes allant des échantillons antiferromagnétiques synthétiques (SAF) aux skyrmions et parois de domaine chiraux dans des multicouches ferromagnétiques (FM) a été réalisée par diffraction résonante magnétique des rayons X (XRMS). Dans un premier temps, les résultats expérimentaux non dépendants du temps réalisés sur des échantillons FM par XRMS sont décrits. Cette partie est suivie par la démonstration que la XRMS est possible sur des échantillons SAFs. Les SAFs sont constitués de couches FM couplées antiferromagnétiquement et bien qu'ils permettent d'atteindre des vitesses de déplacement de texture magnétiques supérieures au FM, leur caractérisation avec des techniques conventionnelles est difficile due à l'aimantation totale nulle dans la multicouche. Ce travail doctorale montre que la XRMS est une des rares techniques très sensible pour sonder la chiralité dans ces systèmes.Dans un deuxième temps, l'étude résolue en temps sur des échantillons FM ayant des parois de domaines chirales, est effectuée en mode pompe et sonde au laser à électrons libres de FERMI. Nous avons trouvé que les parois de domaines se désaimantent plus et se ré-aimantent plus vite que les domaines. Un modèle fondé sur l'action d'un couple induit par les électrons chauds polarisés en spin et venant des domaines vers les parois a été proposé pour expliquer cette évolution temporelle.Finalement, une étude préliminaire résolue en temps sur des échantillons FM présentant un réseau de skyrmion sous champ magnétique a été réalisée. Nous n'avons trouvé aucune différence significative entre l'état domaine et l'état skyrmionique dans les dix première picosecondes. Cependant, après trente picosecondes, un changement significatif de comportement est observé en champ. La compréhension de ce nouveau résultat est discutée mais n'est pas complète, et mérite des études complémentaires.

Chirality and topology have recently emerged in nanomagnetism, both for studying new magnetic textures with alluring properties such as chiral domain walls (DW) or magnetic skyrmions, and for looking at new routes towards future disruptive spintronic devices. Besides the race towards ultimate size magnetic bits, revealing how the magnetization can be altered at the ultimate timescale is another key question to address the actual challenges of future data storage, spin logic or even neuromorphic spintronic technologies.In this PhD work, the study of different system ranging from Synthetic Antiferromagnets (SAF) and chiral skyrmions or DW in ferromagnetic multilayers (FM). has been performed by X-ray Resonant Magnetic Scattering (XRMS).First, static experiment have been performed and the XRMS techniques description on FM is followed by the demonstration that this approach can also be used on SAF samples that allows higher displacement velocities of magnetic textures than FM. SAFs are made of FM layers coupled antiferromagnetically to each other and are difficult to study with conventional techniques due to the zero net magnetization in the multilayer, this PhD demonstrates that XRMS is one of the few very sensitive technique to probe the chirality in such system.Secondly, time-resolved study on FM with chiral DWs is performed in pump and probe mode at FERMI free electron laser. We found that the DWs demagnetizes more and recovers faster than the domains. A hot electron induced torque model has been proposed to explain this time evolution.Finally, preliminary time-resolved experiments on a skyrmions lattice state in FM has been also performed. We found no significant difference between DW and skyrmions in the ultra-fast timescale (<10 ps). However, at longer timescale (>30 ps), a significant change with field is observed. The understanding of this new result is being discussed but is still not yet complete and deserve future study.