Cocons skyrmioniques : nouvelles textures magnétiques 3D dans des multicouches magnétiques apériodiques

Skyrmionic cocoons : novel 3D magnetic textures in aperiodic magnetic multilayers

• Auteur / Autrice : Matthieu Grelier
• Direction : Nicolas Reyren, Vincent Cros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Mougin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Fruchart, Christophe Gatel, Claire Donnelly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Fruchart, Christophe Gatel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Holographie

Imagerie tridimensionnelle

Tomographie

Structure magnétique

Solitons

Skyrme, Modèle de

Spintronique

Magnétisme

Mots clés libres

Magnétisme

Spintronique

Skyrmion

Cocon skyrmionique

Multicouches magnétiques

Holographie

Tomographie

Magnetism

Spintronic

Skyrmion

Skyrmionic cocoon

Magnetic multilayers

X-ray Holography

X-ray To- mography

Résumé

Le domaine du nanomagnétisme tri-dimensionnel (3D) connaît une expansion rapide au sein de la spintronique, englobant des nanostructures magnétiques et des textures de spin complexes qui s'étendent au-delà de deux dimensions effectives et varient selon la troisième, le long de la normale du film magnétique. Les multicouches magnétiques, composées de répétitions d'un élément ferromagnétique encapsulé entre des métaux, permettent un excellent contrôle des propriétés magnétiques et la stabilisation de différentes textures de spin, ce qui en fait d'excellentes plateformes pour le développement du nanomagnétisme 3D.Cette thèse exploite le potentiel des multicouches magnétiques pour stabiliser de nouvelles textures magnétiques 3D, que nous avons dénommées cocons skyrmioniques. Ce sont des objets ellipsoïdaux occupant une fraction de l'épaisseur totale de la multicouche magnétique. Deux structures de multicouches distinctes ont été minutieusement étudiées qui sont caractérisées par une épaisseur variable de l'épaisseur de l'élément ferromagnétique. La première permet de stabiliser les cocons skyrmioniques dont l'extension peut être contrôlée à l'aide d'un champ magnétique externe ou d'ajustements structurels. La deuxième multicouche utilise des couches ferromagnétiques présentant une forte anisotropie magnétique perpendiculaire pour moduler les textures magnétiques le long de l'épaisseur. Il en résulte la coexistence de deux types de textures de spin : le skyrmion colonnaire 2D aux côtés du cocon skyrmionique 3D. Cette cohabitation est importante pour le développement de futurs dispositifs de spintronique, par exemple pour encoder plusieurs états de mémoire.Cependant, l'observation et la mesure de l'aimantation en 3D continue d'\^etre un défi, reposant souvent sur des techniques impliquant la lumière synchrotron. Au cours de cette thèse, diverses approches expérimentales ont été utilisées pour confirmer la nature en 3D des cocons skyrmioniques, notamment la microscopie à force magnétique et les mesures de magnétotransport, ainsi que des techniques avancées utilisant des rayons X comme l'holographie et la laminographie. Des simulations micromagnétiques ont également été réalisées, soutenant l'existence de textures de spin 3D et corroborant les résultats expérimentaux. Cette recherche ouvre la voie à une maîtrise plus poussée des multicouches pour exploiter la troisième dimension de l'aimantation, représentant ainsi une étape significative vers le développement de dispositifs skyrmioniques 3D.

The field of 3D nanomagnetism is rapidly expanding within spintronics, encompassing magnetic nanostructures and intricate spin textures that extend beyond two effective dimensions and vary along the third dimension, normal to the film's plane. Magnetic multilayers, composed of repetitions of a ferromagnetic element encapsulated between metals, enable excellent control over magnetic properties and the stabilization of various spin textures, making them excellent platforms for developing 3D nanomagnetism.This thesis explores the tunability of magnetic multilayers to stabilize novel 3D magnetic textures, that we have baptized ''skyrmionic cocoons''. These are ellipsoidal objects which occupy only a fraction of the multilayer thickness. Two distinct multilayer structures have been thoroughly studied with varying ferromagnet thickness. The first allows for the stabilization of cocoons whose extension can be controlled with an external magnetic field or structural adjustments. The second multilayer utilizes ferromagnetic layers with strong perpendicular magnetic anisotropy to modulate magnetic textures along the thickness. This results in the coexistence of two types of spin textures: the more common 2D columnar skyrmion alongside the 3D skyrmionic cocoon. This cohabitation is important for developing future spintronics devices, for example to encode several memory states.However, observing and measuring magnetization in 3D remains a challenge, often relying on techniques involving synchrotron light. During this thesis, various experimental approaches have been employed to confirm the 3D nature of skyrmionic cocoons, including magnetic force microscopy and magnetotransport measurements as well as advanced X-rays techniques like holography and laminography. Micromagnetic simulations were also conducted, supporting the existence of 3D spin textures and corroborating the experimental findings. This research paves the way for further exploiting multilayer tunability to harness the third dimension of magnetization, representing a significant step towards the development of 3D skyrmionic devices.