Crafting magnetic skyrmions at room temperature : size, stability and dynamics in multilayers

par William Legrand

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Vincent Cros.

Soutenue le 29-03-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Unité mixte de physique CNRS/Thales (Palaiseau) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Claude Chappert.

Le jury était composé de Vincent Cros, Claude Chappert, Stefania Pizzini, Pietro Gambardella, Stéphane Mangin, Russell Cowburn.

Les rapporteurs étaient Stefania Pizzini, Pietro Gambardella.

  • Titre traduit

    Élaboration de skyrmions magnétiques à température ambiante : taille, stabilité et dynamique dans les multicouches


  • Résumé

    Les skyrmions magnétiques sont des enroulements bidimensionnels et nanométriques de la configuration de spin, pouvant être stabilisés dans certains matériaux magnétiques soumis à l’interaction d’échange antisymétrique Dzyaloshinskii-Moriya. Ils présentent une topologie non-triviale et s’annoncent peut-être comme étant les plus petites configurations magnétiques pouvant être réalisées. Très récemment, des skyrmions magnétiques ont pu être stabilisés à température ambiante grâce à la conception de multicouches magnétiques brisant la symétrie d’inversion selon la direction verticale. Suite à cette avancée, l’objectif central de cette thèse est la compréhension et la maîtrise des multiples propriétés physiques des skyrmions hébergés dans ces systèmes multicouches. Pour aborder cet objectif, un modèle original est décrit puis employé, permettant la prédiction des profils adoptés par les skyrmions multicouches. Ce modèle numérique est très générique, n’utilisant que la symétrie cylindrique des skyrmions afin de simplifier la détermination des interactions magnétostatiques. Ce modèle est ensuite étendu afin de pouvoir approximer la stabilité thermique des skyrmions, ce qui constitue un élément clé dans leur obtention expérimentale. Une seconde dimension de ce travail consiste en l’étude expérimentale de la manipulation électrique des skyrmions multicouches, démontrant la possibilité de trois fonctionnalités centrales que sont leur nucléation par courants locaux, leur déplacement sous courant de spin et leur détection électrique individuelle par tension transverse. Le troisième aspect de ma thèse est l’étude des propriétés physiques influençant le déplacement des skyrmions dans les multicouches magnétiques. Un comportement d’ancrage sur des défauts est mis en évidence expérimentalement et est analysé à l’aide d’une modélisation micromagnétique. Un des résultats importants de ce travail est aussi la prédiction d’une chiralité hybride dans les configurations magnétiques de certaines multicouches, qui est ensuite démontrée expérimentalement par des mesures au synchrotron. Les conséquences attendues de cette chiralité hybride sur le déplacement des skyrmions sont étudiées pour permettre l’optimisation des multicouches, aboutissant à l’observation expérimentale de la propagation de skyrmions de 50 nm de rayon à des vitesses atteignant environ 40 m/s. La dernière partie de cette thèse vise à mettre à profit ces avancées théoriques et expérimentales afin de parvenir à réduire la taille des skyrmions à température ambiante. Après avoir analysé l’impact des interactions dipolaires sur la stabilité des skyrmions, il est entrepris d’optimiser les matériaux et la périodicité des couches. Je m’intéresse aussi à la conception expérimentale de textures magnétiques dont l’aimantation est compensée au sein de structures multicouches appelées antiferromagnétiques synthétiques, dont je montre qu’elles peuvent héberger des skyrmions antiferromagnétiques à température ambiante. Ce résultat final ouvre de nouvelles perspectives vers l’obtention de skyrmions à la fois mesurant moins de 10 nm et très mobiles, qui pourraient être utilisés dans la conception de composants de calcul et de stockage d’information plus compacts et plus efficaces.


  • Résumé

    Magnetic skyrmions are nanoscale two-dimensional windings in the spin configuration of some magnetic materials subject to the Dzyaloshinskii-Moriya antisymmetric exchange interaction. They feature a non-trivial topology and show promise to be the smallest achievable magnetic textures. Very recently, magnetic skyrmions have been successfully stabilised up to room temperature by leveraging on the design of magnetic multilayer systems breaking the vertical inversion symmetry. Following up on this achievement, the main objective of this thesis is the understanding and the control of the various physical properties of skyrmions hosted by such multilayer systems. As a first approach to this objective, an original model allowing to predict the profiles adopted by multilayer skyrmions is described and then employed. This numerical model is very generic, as it exploits only the cylindrical symmetry of multilayer skyrmions, in order to determine the magnetostatic interactions with less effort. This model is further extended in order to approximate the thermal stability of multilayer skyrmions, which is key to their experimental realisation. The next aspect of this thesis consists in the experimental study of the electrical manipulation of multilayer skyrmions, demonstrating three main functionalities that are nucleation by local currents, displacement under spin currents and individual detection by transverse voltage. The third aspect of my thesis is the study of the physical properties influencing the current-induced motion of skyrmions in magnetic multilayers. A pinning behaviour is evidenced experimentally and analysed relying on micromagnetic modelling. One of the important results of this work is also the prediction of hybrid chirality for some multilayer magnetic configurations, which is then demonstrated experimentally using a synchrotron technique. The impact of hybrid chirality on current-induced skyrmion motion is discussed and leads to the optimisation of the multilayer design, resulting in the experimental observation of motion for skyrmions below 50 nm in radius at velocities reaching around 40 m/s. The last part of this thesis aims at leveraging on these theoretical and experimental advances in order to reduce the size of skyrmions at room temperature. After the analysis of the impact of dipolar interactions on skyrmion stability, the engineering of the materials and of the layers periodicity is attempted. I also investigate experimentally the conception of magnetic textures with compensated magnetization in multilayer structures known as synthetic antiferromagnets, and show that they can host antiferromagnetic skyrmions at room temperature. This last result opens up new prospects for achieving room-temperature skyrmions combining size in the single-digit nm range and high mobility, potentially allowing applications towards energy-efficient computation and storage devices with a very dense integration.


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