Universal behaviors of magnetic domain walls in thin ferromagnets

par Rebeca Díaz Pardo

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée

Sous la direction de Vincent Jeudy.

Soutenue le 23-10-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne ; 1959-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Thibaut Devolder.

Le jury était composé de Vincent Jeudy, Thibaut Devolder, Stefania Pizzini, François Montaigne, Sebastian Bustingorry.

Les rapporteurs étaient Stefania Pizzini, François Montaigne.

  • Titre traduit

    Comportements universels des parois de domaines magnétiques dans les ferromagnétiques minces


  • Résumé

    Comprendre la dynamique des parois magnétiques est essentiel pour le développement de technologies comme les mémoires magnétiques à haut densité. D'un point de vue fondamental, les parois de domaines peuvent être décrites comme des interfaces élastiques qui se déplacent dans un faible désordre d’ancrage. Leur dynamique, dite de reptation, présente des comportements universels qui sont caractérisés par des exposants critiques dépendant notamment de la dimensionnalité. Plus généralement, les comportements universels sont observés dans différents phénomènes aussi diverses que la propagation des fractures en solides, des fronts de combustion, des parois de domaines ferroélectriques... La première partie de la thèse propose une analyse les comportements universels de la transition de dépiégeage de parois de domaines sous champ magnétique. La dynamique de paroi a été étudiée sur une large gamme de températures, dans une couche ferromagnétique ultramince de Pt/Co/Pt. Nous avons comparé nos résultats avec ceux obtenus pour d’autres matériaux. Nous avons pu mettre en évidence la fonction universelle de la transition de dépiégeage qui rend compte des effets de champ magnétiques et des effets thermiques. La deuxième partie présente une étude des effets de taille finie sur les régimes de reptation. Nous avons mesuré les exposants critiques pour des couches de (Ga,Mn)(As,P) de différentes épaisseurs. Nous avons pu observer une discontinuité des exposants dits de rugosité et de reptation. Cette discontinuité est la signature d’un changement criticité de la dynamique qui est associé à une transition de dimensionnalité. Au-dessous d’un champ critique dépendant de l’épaisseur de la couche et de la température, une paroi se comporte comme une ligne élastique (d = 1) se déplaçant dans un milieu 2D. Au-dessus du champ critique, le mouvement de paroi correspond à celui d’une surface (d = 2) dans un milieu 3D. Dans la dernière partie, nous analysons la criticité du mouvement de paroi déplacé par courant électrique dans une couche mince de (Ga,Mn)(As,P). Nous étudions comment varie la dynamique de paroi avec l’angle entre la direction du courant et la normale à la paroi. Pour un courant perpendiculaire à la paroi, les exposants critiques de rugosité et de reptation mesurés sont similaires à ceux obtenus sous champ magnétique. Cela indique une compatibilité avec la classe d’universalité dite quenched Edward-Wilkinson. Pour un angle non-nul, la croissance de facettes révèle une compatibilité avec la classe d’universalité quenched Kardar-Parisi-Zhang négative.


  • Résumé

    Understanding magnetic domain walls dynamics (DW) is crucial in order to develop technological applications like high density memories in ferromagnets. From the fundamental point of view domain walls are described as interfaces moving in a weak pinning potential. Below the depinning threshold, DWs move in what it is known as the creep regime, which exhibit universal behaviors characterized by critical exponents who depend, among other things on the dimensionality and geometry of the interface. More generally, these universal behaviors are shared by different physical systems as diverse as propagation of fractures in solids, combustion fronts, ferroelectric domain walls... In the first part of the thesis, we address the universal behavior of the depinning transition in domain walls driven by magnetic field. For this purpose we measure the DW velocity as a function of magnetic field in an ultrathin Pt/Co/Pt film and then compare our results with other materials. We reveal a universal scaling function and obtain a consistent description for both the depinning transition and the thermally activated creep regime. In the second part of the manuscript, we study the sample size effects on the critical exponents within the creep regime. We use ferromagnetic (Ga, Mn)(As,P) films of different thicknesses. We observe a discontinuity in the roughness ζ and the creep µ exponents. This discontinuity evidences a dimensional crossover and a change in criticality in the quenched Edward-Wilkinson model. Below a certain critical field Hc, the DW behaves as an elastic line (d = 1) moving in a 2D medium. Above Hc the DW motion corresponds to an elastic interface (d = 2) moving in a 3D medium. In the last part, we compare the thermally activated creep dynamics in domain walls driven by magnetic field and by electric current separately in a (Ga,Mn)(As,P) thin film. We study the DW dynamical response with the angle between the current and the normal to the DW. When the angle between the current and the normal to the DW is sufficiently small, the critical exponents measured for current induced DW motion are very similar than for field induced DW motion. This result indicates agreement with the quenched Edward-Wilkinson universality class. When the angle between the DW and the current is not negligible, the DW faceting reveals compatibility with the quenched negative Kardar-Parisi-Zhang universality class.


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