DYNAMIQUE DE TEXTURES MAGNETIQUES DANS DES FILMS DE GRENAT DE FER

DYNAMICS OF MAGNETIC TEXTURES IN IRON GARNETS FILMS

• Auteur / Autrice : Ettore Angeli
• Direction : Vincent Jeudy, André Thiaville
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Solides
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Milieux désordonnés

Interfaces

Spintronique

Magnétisme

Dynamique

Spintronics

Interfaces

Disordered media

Magnetism

Dynamics

Résumé

La manipulation de textures magnétiques telles que les parois de domaines (interfaces séparant des domaines avec différentes directions de magnétisation) dans des films ultra-minces et des nano-fils est importante pour le développement de mémoires magnétiques et soulève de nombreuses questions de physique fondamentale. Les parois présentent une grande variété de comportements dynamiques, qui dépendent de l'amplitude du champ magnétique appliqué ou du courant polarisé par spin. Au-dessus du seuil de dépiégeage, les parois suivent habituellement des régimes dissipatifs avec une texture magnétique qui évolue au cours du mouvement. Les régimes dissipatifs hautement non linéaires attendus à faible champ ou courant sont masqués par l'ancrage des parois par des défauts dans la plupart des matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques étudiés jusqu'à présent. Sous le seuil de dépiégeage, les parois suivent un régime de reptation dominé par leur interaction avec les défauts, leur élasticité et leur activation thermique. Les parois présentent des comportements universels tels que les fluctuations stochastiques de leur position ou des déplacements par sauts (avalanches)… qui sont similaires à ceux rencontrés dans une grande variété d'autres systèmes (parois de domaine dans les matériaux ferroélectriques, mouillage de surface, ou la propagation de fractures...), et sont décrits dans le cadre théorique générique des systèmes élastiques désordonnés. Dans ce contexte, l'étude de la dynamique des parois de domaine dans les matériaux présentant une interaction très faible paroi-défauts est particulièrement intéressante. Des résultats récents obtenus avec des films de grenat de fer ultra-minces montrent un seuil de dépiégeage inférieur de plus d'un ordre de grandeur à celui des autres matériaux ferromagnétiques. Cela permet d'accéder à un large éventail de régimes dissipatifs dynamiques encore inexplorés et également de s'intéresser aux régimes universels dans la limite du piégeage faible. Pour la thèse, nous proposons d'explorer la dynamique des parois de domaine déplacées par champ magnétique dans des films de grenats et par couple spin-orbite dans les bicouches grenat/ Pt. Le couple spin-orbite d'un courant électrique circulant dans un métal lourd (Pt), qui produit un courant de spin transversal (par effet Hall de spin) déplaçant les parois de domaines. Ce couple est particulièrement efficace et produit des vitesses de parois élevées. Cependant, l'interaction entre le couple spin-orbite, la texture et l'élasticité de la paroi de domaine, le désordre et l'activation thermique reste loin d'être comprise et pourrait être éclairée par une analyse des régimes dynamiques universels et dissipatifs.

The manipulation of magnetic textures such as domain walls (interfaces separating domains with different magnetization directions) in nanowires is important for the development of magnetic memories and raises many issues of fundamental physics. Domain walls present a large variety of dynamical behaviors, which depend on the magnitude of the driving magnetic field or spin-polarized current (producing spin-transfer or spin-orbit torques on domain wall magnetic texture). At high drive, the domain walls follow strongly non-linear dissipative regimes with their magnetic texture evolving during the motion. However, those high-velocity regimes are generally difficult to reach, due to the pinning of domain walls on defects of the material. At low drive, below the so-called depinning threshold, the interaction between domain wall and defects is dominant and the contributions of domain wall elasticity and of thermal activation are particularly salient. Moreover, domain walls present universal behaviors, that are similar to those encountered in a large variety of other phenomena (domain walls in ferroelectric materials, surface wetting, or propagation of fractures...), and which are described in the generic theoretical framework of disordered elastic systems. In this context, the study of domain wall dynamics driven by highly efficient torques in materials presenting very weak wall-defects interaction is particularly interesting. Recent results obtained with ultra-thin garnet films evidence magnetic field depinning thresholds more than one order of magnitude lower than that of other ferromagnetic materials. This enables to access to a wide range of dynamical dissipative regimes and also to study the universal regimes in the limit of weak pinning, which remains unexplored. For the thesis, we propose to explore domain wall dynamics driven by magnetic field in garnet films and by the so-called spin-orbit torque in garnet/Pt bilayers. This torque originates from an electric current flowing in a heavy metal (Pt), which produces a transverse spin current (by spin Hall effect) moving the domain walls. The spin-orbit torque is particularly efficient and produces high domain wall velocities. However, the interplay between spin-orbit torque, domain wall magnetic texture and elasticity, disorder and thermal activation remains far from being understood and could be enlighten by an analysis of universal and dissipative dynamical regimes.