Solitons magnétiques topologiques dans des couches minces epitaxiées à symétrie réduite

Toplogical magnetic solitons in thin epitaxial films with reduced symmetry

• Auteur / Autrice : Lorenzo Camosi
• Direction : Jan Vogel, Stefania Pizzini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 30/05/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Stefan Blügel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Liliana-Daniela Buda, Olivier Fruchart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : André Thiaville, Stéphane Andrieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Domaines magnétiques

Films magnétiques

Solitons

Mots clés libres

Antiskyrmions

Skyrmions

Paroi magnétique

Couches minces epitaxiées

Symétrie réduite

Antiskyrmions

Skyrmions

Domain wall

Epitaxial thin film

Reduced symmetry

Résumé

Dans cette thèse, j'ai étudié la relation entre la symétrie cristalline, la symétrie des interactions magnétiques et des soliton topologiques dans des couches minces magnétiques épitaxiées. Le cas particulier de couches avec une symétrie C2v a été considéré. Ces couches ont un intérêt particulier par leurs propriétés anisotropes qui permettent une stabilisation de solitons magnétiques avec différentes symétries et nombres topologiques. J'ai utilisé des approches théoriques et expérimentaux pour étudier ce phénomène :Approche micromagnétique :La relation entre les formulations atomistes et micromagnétiques des interactions magnétiques a été étudiée en fonction de la symétrie cristalline. Ceci a permis d'expliquer la présence des interactions anisotropes et d'étudier leur effet sur la configuration des solitons magnétiques 1D et 2D.La discussion commence par le plus simple soliton 1D, la paroi des domaines, et pas par pas des nouvelles interactions et symétries sont ajoutées afin de caractériser les conditions de stabilité et les propriétés des solitons 2D, les skyrmion et anti-skyrmions.Notre méthode a permis d'étudier les solitons topologiques 2D sur une large gamme de paramètres, et de construire un diagramme de phase en fonction de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) et du champ magnétique appliqué. Trois types de solitons topologiques 2D ont été identifiées (skyrmions, bulles skyrmioniques et skyrmions supercritiques) en fonction de leur taille et leur réponse à un champ magnétique externe.On a aussi montré qu'une inversion du signe de la DMI selon deux directions perpendiculaires permet la stabilisation d'anti-skyrmions. Un modèle micromagnétique a été développé pour étudier la différence de configuration et d'énergie entre skyrmions et anti-skyrmions. On montre que l'interaction dipolaire rompt la symétrie circulaire de l'anti-skyrmion et le rend plus stable que le skyrmion.Approche expérimentale :J'ai préparé différentes couches magnétiques épitaxiées de symétrie C2v. Pour chaque système, je décris les paramètres de croissance et la symétrie cristalline, suivi par les résultats des caractérisations magnétiques et finalement les résultats de microscopie magnétique.J'ai étudié la symétrie et l'intensité de la DMI dans une tricouche Au/Co/W à aimantation perpendiculaire. La DMI dans ce système induit une chiralité horaire de la modulation de spin avec une forte anisotropie de l'intensité de la DMI, venant de la symétrie C2v. Des skyrmions dans ce système devraient avoir une forme elliptique. Nous avons stabilisé des skyrmions dans des films continus et dans des nanostructures. Leur configuration magnétique a été étudiée par XMCD-PEEM et MFM, mais sans observer des propriétés anisotropes.Pour augmenter l'effet des interactions anisotropes sur la configuration des skyrmions, j'ai développé le système W/Co/Au-Pt(solution solide). Des études par microscopie ont montré la stabilisation des bandes magnétiques parallèles à l'axe facile dans le plan dans ce système. Des études par microscopie Kerr ont montré que l'origine de cette configuration en bandes parallèles est une forte anisotropie de la dynamique du mouvement des parois.Des mesures MFM en champ magnétique statique ont été effectuées afin de confiner des bulles skyrmioniques elliptiques, mais la sensibilité de ces mesures à des couches ultrafines a été insuffisante pour caractériser leurs propriétés anisotropes.Des mesures XMCD-PEEM ont permis d'observer la structure interne de parois selon l'axe planaire difficile du système. Ces mesures mettent en évidence un composant Néel de la paroi.Finalement, j'ai préparé et étudié un système W/Fe/Co/Au avec le but de stabiliser des anti-skyrmions. Cependant, le système n'a pas montré l'aimantation hors-du-plan qui est nécessaire pour stabiliser ces solitons. Ce signifie que l'anisotropie planaire de l'interface W/Fe domine l'anisotropie perpendiculaire de l'interface Co/Au.

In this thesis I studied the relationship between the crystal symmetry, the symmetry of the magnetic interactions and topological solitons in epitaxial magnetic thin films. The case of thin films with C2v symmetry has been considered. These systems are particularly interesting for the anisotropic properties that allow stabilising magnetic solitons with different symmetries and topology. I used theoretical and experimental approaches to investigate this phenomenon:Micromagnetic approach:The relationship between the atomistic and the micromagnetic formulations of magnetic interactions was studied as a function of the crystal symmetry.This allowed to explain the presence of anisotropicinteractions and study their effect on the configurations of 1D and 2D magnetic solitons. The discussion starts from the simplest 1D soliton, the domain wall, and step-by-step new interactions and symmetries are added in order to characterize the stability conditions and the properties of 2D solitons, skyrmions and anti-skyrmions. Our method allowed to study 2D topological solitons over a wide range of parameters and build a phase diagram as a function of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) strength and magnetic field intensity. This allowed us to distinguish three kinds of 2D topological solitons (skyrmions, skyrmionic bubbles and supercritical skyrmions) as a function of their size and response to an external magnetic field. We show that an inversion of DMI strength along perpendicular directions allows the stabilisation of anti-skyrmions. A micromagnetic model is developed to study the configuration and energy differences between skyrmions and anti-skyrmions. This shows that the dipolar interaction breaks the circular symmetry of the antiskyrmion and makes it more stable than the skyrmion.Experimental approach:Epitaxial magnetic systems with C2v symmetry have been grown. For each system I describe the growth parameters and crystal symmetry, followed by the results of the magnetic characterisation and finally the results from the magnetic microscopy measurements.I have investigated the DMI symmetry and strength in an out-of-plane magnetised epitaxial Au/Co/W trilayer. The DMI in this system promotes a clockwise chirality of the spin modulation with a strong anisotropy in the DMI strength. This anisotropy arises from the C2v symmetry of the Co/W stack.Skyrmions in this system should have an elliptical shape. We stabilised skyrmions in continuous films and in nanopatterned structures. Their magnetic configurations have been displayed with different microscopic techniques, XMCD-PEEM and MFM, without identifying anisotropic properties.We designed the W/Co/Au-Pt (solid solution) system to increase the effect of the anisotropic interactions on the skyrmion configuration. Microscopy studies in naturally demagnetised areas show that stripe domains parallel to the in-plane easy axis are stable in this system. The configuration with a larger periodicity has been found even for thinner Co layer after demagnetisation with a magnetic field. Kerr microscopy studies of the DW dynamics allowed to evidence the origin of this magnetic configuration, which arises from a strong anisotropy in the DW motion.MFM measurements with the application of a static magnetic field have been performed in order to confine elliptical skyrmionic bubbles but the reduced sensitivity of this technique to thin magnetic systems did not allow to display and characterise them. XMCD-PEEM measurements allowed to display the internal structure of the DWs along the in-plane hard axis of the system. They show the presence of a Néel DW component. Finally I have grown and studied a W/Fe/Co/Au system where anti-skyrmions may in principle be stabilised. However, the system did not show the out-of-plane magnetisation which is fundamental for the stabilisation of skyrmions. This means that the W/Fe in-plane anisotropy dominates the Co/Au out-of-plane anisotropy.